Un'indagine degli effetti dello sport legati Commozione cerebrale in gioventù Utilizzando la risonanza magnetica funzionale e l'impatto del sistema di telemetria Testa

Summary

Questo articolo fornisce una panoramica di un approccio multimodale per la diagnosi lievi lesioni cerebrali traumatiche e recupero in gioventù. Questo approccio combina test neuropsicologici con la risonanza magnetica funzionale e l'impatto del sistema Capo telemetria per monitorare il rapporto tra impatti testa e l'attività cerebrale durante i test cognitivi.

Abstract

Una delle lesioni più comunemente riportati nei bambini che partecipano a sport è concussione o lieve lesione cerebrale traumatica (mTBI) ^1. Bambini e giovani coinvolti in sport organizzati come hockey competitivi sono quasi sei volte più probabilità di subire una grave commozione cerebrale rispetto ai bambini coinvolti in altre attività ricreative fisico ^2. Mentre i più comuni sequele cognitive mTBI sembrano simili per bambini e adulti, il profilo di recupero e l'ampiezza delle conseguenze nei bambini rimane in gran parte sconosciuto ^2, così come l'influenza del pre-infortunio caratteristiche (sesso per esempio) e particolari lesioni (ad esempio entità e la direzione di impatto) su risultati a lungo termine. Sport competitivi, come hockey, permettono la rara opportunità di utilizzare un pre-post di progettazione di ottenere prima dell'incidente dati prima commozione cerebrale si verifica sulle caratteristiche e il funzionamento dei giovani e mettere in relazione questo infortunio al risultato seguente. I nostri obiettivi primari sono di affinare la diagnosi pediatriche commozione cerebrale e la gestione basata su prove di ricerca che è specifica per i bambini ei giovani. Per fare questo usiamo nuovi approcci multi-modale e integrativo che:

1. Valutare gli effetti immediati del trauma cranico nei giovani
2. Monitorare la risoluzione di sintomi post-commozione cerebrale (PCS) e la performance cognitiva durante il recupero
3. Utilizzare nuovi metodi per verificare lesioni cerebrali e di recupero

Per raggiungere i nostri obiettivi, abbiamo implementato la telemetria impatto della testa (HIT) di sistema. (Simbex, Libano, NH, USA). Il sistema equipaggia disponibili in commercio Easton S9 caschi su ghiaccio (Easton-Bell Sports, Van Nuys, California, USA) con un singolo asse accelerometri per misurare in tempo reale accelerazioni testa durante la partecipazione contattare lo sport ^{3 - 5.} Utilizzando la tecnologia telemetrica, la grandezza di accelerazione e la posizione di tutti gli impatti testa durante la partecipazione lo sport può essere oggettivamente rilevati e registrati. Usiamo anche la risonanza magnetica funzionale (fMRI) per localizzare e valutare i cambiamenti dell'attività neurale in particolare nel lobo temporale mediale e frontale durante l'esecuzione di compiti cognitivi, in quanto tali sono le regioni cerebrali più sensibili da trauma cranico concussive ^6. Infine, stiamo acquisendo dati di immagini sensibili ai danni strutturali nel cervello della sostanza bianca.

Protocol

1. Ottenere pre-infortunio profilo neuropsicologici di base sul soggetto

1. Prima di sottoporre arrivare per i test, verificare tutte le apparecchiature funzioni correttamente e pronto per i test e che la stanza è libera da distrazioni inutili.
2. Dopo aver esaminato consenso dei genitori e soggetto, misura e circonferenza altezza, il peso e la testa soggetto record.
3. Amministrare valutazione equilibrio mentre soggetto è in piedi sulla piattaforma di forza nel seguente ordine di condizioni: A1 - sul piatto la forza, gli occhi aperti; A2 - sul piatto la forza, gli occhi chiusi; A3 - su piastra di forza mentre indossa la cupola visivo conflitto.
4. Luogo AirexBalance-pad sulla parte superiore della piastra di forza e di somministrazione ripetuta valutazione delle condizioni di equilibrio (A1-A3) con lo stand oggetto sulla parte superiore del AirexBalance-pad e la forza piatto combinato.
5. Misurare e registrare a mano la forza presa e amministrare il test scanalato pegboard sia per la mano destra e sinistra.
6. Somministrare il test di salto sul tappeto salto, prima da una posizione di squat poi il contro-movimento, portando a termine 3 prove per ogni posizione.
7. Condotta gamba prova massima contrazione volontaria con la piastra di forza e la barra di forza.
8. Amministrare la batteria di test neuropsicologici, nel seguente ordine in base alla valutazione Manuale Istruzioni: post-commozione Sintomo Scale-Revised; Mood Bambino Checklist Self-Report; Questionario Chiralità Waterloo; test Figura Rey Complex: Prova Copia; verbale di prova Fluency; test Figura Rey Complex: Richiamo immediato di primo grado; verbale compito di memoria di lavoro; Rey Learning Test Auditory Verbal; test Figura Rey Complex: Prova rievocazione; test Figura Rey Complex: prova di riconoscimento; colore Stroop e test di Word; Simbolo cifre test Modalità; colore per bambini Trails di prova; di lavoro visivo memoria Task; Rey Auditory Verbal Learning Test: rievocazione; Rey Auditory Verbal Learning Test: Prova riconoscimento; stimolato bambini Task Attenzione Auditory Serial (vedi Figura 1 per l'illustrazione dei compiti verbali e visivi della memoria di lavoro).
9. Punteggio test neuropsicologici seguendo le istruzioni di test manuale, se del caso.
10. Inserire tutti i punteggi dei test nel database.

2. L'acquisizione Strutturale e Funzionale immagini MRI di base sul soggetto

1. Prima della sessione di test, condurre un'intervista risonanza magnetica di screening via telefono per assicurare partecipante può tranquillamente sottoporsi a una risonanza magnetica.
2. Al suo arrivo per la loro sessione di test, esame consenso / assenso forma con il soggetto ed i loro genitori (s), ripetere la proiezione risonanza magnetica, di fornire un orientamento e una panoramica completa della macchina MRI e sperimentare in un'epoca in modo consono. Chiedete se il soggetto ha tutte le domande.
3. Sono soggette rimuovere tutti i gioielli in metallo, accessori e oggetti dalle tasche.
4. Dimostrare come soggetto di rispondere agli stimoli presentati durante il compito di memoria di lavoro attraverso l'utilizzo di pale Lumitouch (una risonanza magnetica-safe 'mouse' con i pulsanti sinistro e destro solo).
5. Sono il soggetto tappi per le orecchie inserire.
6. Sono il soggetto sdraiarsi sul letto dello scanner.
7. Posizionare la testa nella bobina testa e stabilizzare la testa con inserti in schiuma e una cinghia promemoria sulla fronte. Se il partecipante richiede lenti correttive per vedere lo schermo del computer, li forma con MRI-compatibile occhiali con la forza prescrizione appropriata.
8. Spostare il piano dello scanner nello scanner.
9. Luogo schermo video al di fuori alesaggio di scanner e soggetto si orienta verso specchio sulla testa della bobina dove il compito di memoria di lavoro sarà proiettata.
10. Ottenere immagine T1 pesata strutturale utilizzando 3D gradiente viziati con preparazione inversione (3D-SPGR IRprep) (vedi tabella 1 per una descrizione completa dei parametri di scansione).
11. Amministrare il compito di memoria di lavoro e di raccogliere le immagini funzionali con risonanza magnetica a scatto singolo T2 *- immagini pesata con spirale in / out lettura ^7.
12. Ottenere immagini FLAIR.
13. Ottenere PD/T2 immagine ponderata utilizzando dual-echo echo girare vorticosamente (2D-FSE-XL) con ASSET. ASSET è spento se iperintensità della sostanza bianca si vedono sulle immagini FLAIR.
14. Ottenere T2 *- pesate strutturale utilizzando gradiente-ha ricordato echo (GRE).
15. Ottenere 2 imaging del tensore di diffusione (DTI) set di dati (3 se il tempo lo permette), utilizzando solo colpo l'EPI con doppio spin-echo.
16. Rimuovere soggetto da scanner.

3. Registrare la forza e la direzione di colpi al capo con il telemetria impatto della testa (HIT) Sistema

1. Ottenere una misura adeguata per il casco sulla testa di hockey soggetto.
2. Rimuovere le batterie dal casco e una ricarica completa, per poi tornare al casco.
3. Garantire che i caschi e il sistema HIT sono la trasmissione e la ricezione dei dati, rispettivamente, prima di raccogliere dati di gioco.
4. Raccogliere i dati durante il gioco, recording ogni periodo di hockey arrestare e avviare tempo.
5. Inviare i dati per l'elaborazione tramite meccanismo di sincronizzazione per Simbex utilizzando la connessione Internet.

4. Esecuzione di post-mTBI neuropsicologici di follow-up di prova

1. Lo stesso giorno, come un rapporto di infortunio è ricevuto, completare il modulo di lesioni Hit rapporto con il genitore di ottenere l'indicazione clinica e funzionale per quanto riguarda il danno.
2. Amministrare il PCS-R per soggetto e determinare la gravità attuale dei sintomi.
3. Circa 1 ° giorno post-infortunio: amministrare PCS-R. Se i sintomi sono irrisolti (cioè non sono tornati ai livelli basali), non somministrare completa batteria di test neuropsicologici.
4. Se i sintomi del soggetto lo permettono, completare la valutazione dell'equilibrio (vedi 1.3 e 1.4) e il test saltare (vedi 1.6).
5. Se i sintomi del soggetto lo permettono, amministrare gamba prova massima contrazione volontaria (vedi 1.7).
6. Se i sintomi del soggetto consentire test fisici, una volta completato, amministrare il compito verbali e visivi memoria di lavoro.
7. Continuare a gestire il sistema PCS-R fino a quando i sintomi si sono risolti (cioè ritornare ai livelli basali) secondo il calendario indicato nella tabella 2.
8. Circa il 5 ° giorno post-infortunio: amministrare PCS-R. Se i sintomi sono irrisolti sequenza la ripetizione del test sopra (fare riferimento al 4,3-4,6).
9. Se i sintomi sono ancora irrisolti dopo 7 giorni post-infortunio, continuano ad amministrare PCS-R settimanale fino a scomparsa dei sintomi.
10. Per i soggetti i cui sintomi si sono risolti, ripetere i passaggi 1,2-1,9.
11. Procedere alla risonanza magnetica strutturale e funzionale di follow-up sessione di scansione (vedi sezione 5).

5. L'acquisizione di risonanza magnetica strutturale e funzionale post-mTBI Follow-up Immagini

1. Calendario soggetto per il follow-up sessione di scansione entro 72 ore dopo l'infortunio.
2. Ripetere i passaggi sopra elencati 2,2-2,16.
3. Se i sintomi si sono risolti al momento del primo follow-up sessione di scansione, programmare un secondo di follow-up sessione di scansione una volta che i sintomi si risolvono e ripetere i passaggi 2,2-2,16 come riportato sopra.

6. Esecuzione Oggetto di controllo abbinato neuropsicologici di follow-up di prova

1. Esaminare le età (ossia annate e mesi) di tutti i soggetti iscritti a sperimentare e generare un elenco di potenziali età e sesso-soggetti di controllo in base alle date di nascita corrispondente entro 3 mesi nel corso dello stesso anno per ciascun soggetto mTBI.
2. Contatta soggetti di controllo e collaudo sessione programma.
3. Replicare il protocollo di sperimentazione, ai soggetti mTBI equilibrata per quanto riguarda i tempi e il numero di sessioni di follow-up. Ripetere i passaggi 1,2-1,16 sopra, come indicato. Per esempio, se i sintomi del soggetto mTBI è stato risolto entro 24 ore e hanno solo completato un follow-up sessione di test che comprendeva l'intera batteria neuropsicologica, quindi replicare questo protocollo con il soggetto di controllo corrispondente.
4. Procedere alla risonanza magnetica strutturale e funzionale di follow-up sessione di scansione (fare riferimento alla sezione 7).

7. L'acquisizione Strutturale e Funzionale MRI abbinato Immagini Oggetto di controllo

1. Ripetere i passaggi sopra elencati 2,2-2,16.
2. Se il soggetto di controllo è abbinato ad un soggetto mTBI che hanno completato il follow-up due sessioni di scansione a causa di sintomi non risolto, programmare una seconda sessione di test di corrispondenza l'intervallo di tempo tra le sessioni (cioè il numero di giorni) e ripetere i 2,2-2,16 come riportato sopra.

8. Analisi dei dati

1. Calcolare le statistiche descrittive (media e deviazione standard) per grandezza e numero di colpi alla testa per ogni giocatore, come ottenuti dal sistema HIT, normalizzando i dati per giocatore a partita.
2. Calcolare il punteggio di cambiamento rispetto al basale per ogni punteggio del test neuropsicologici in tutte le mTBI e soggetti di controllo.
3. Eseguire un campione corrispondente t-test con il gruppo come fattore tra i soggetti (cioè mTBI contro controllo) e il cambiamento nelle prestazioni di test neuropsicologici come variabile dipendente di analizzare l'effetto della mTBI sulla funzione neuropsicologici.
4. Utilizzare l'immagine clinica PD/T2-weighted set per generare tutto il cervello misure volumetrico per misurare gonfiore a livello mondiale nel cervello immediatamente post-mTBI.
5. Per ogni soggetto mTBI, le immagini pesate in T1 vengono utilizzati per calcolare variazioni focali di volume dei tessuti utilizzando due calcoli gratuito dei campi di deformazione lineare. In primo luogo, registrare le scansioni di base a ciascuno dei follow-up scansioni. In secondo luogo, calcolare la deformazione tra coppie consecutive di scansioni, di catturare a breve termine scan-to-scan differenze.
6. Correggere i dati DTI per correnti parassite distorsioni e movimento della testa, e riorientare le indicazioni gradiente prima di calcolare i parametri del tensore di diffusione. Per mTBI rispetto a non-mTBI studi di gruppo, utilizzare il metodo di statistica spaziale tratto-based (TBSS), recentemente introdotto dal gruppo di Oxford ^8.
7. Individuare eventuali iperintensità della sostanza bianca sulle immagini FLAIR e microsanguinamenti sulle immagini GRE per separare le regioni del normale materia che appaiono bianche da quelle che hanno subito danni post-mTBI ^9. Utilizzare questi luoghi per estrarre misure quantitative derivate da DTI (anisotropia frazionaria, FA, diffusività media, D, e diffusività radiale, DR).
8. Per le analisi DTI, correlare TBSS valori voxel con i dati telemetery HITS (magnitudo e cioè il numero di visite alla testa), utilizzando il multivariata Partial Least Squares analisi metodo ^{10 - 13.} Partial Least Squares (PLS) è una tecnica multivariata in grado di identificare tutto il cervello modelli di attività che variano a seconda delle condizioni sperimentali o comportamento.
9. Pre-elaborazione delle immagini tramite fMRI coregistrazione spaziale per un volume iniziale fiduciali dalle immagini prima esecuzione per correggere il movimento testa, seguita da una interpolazione 3D trasformata di Fourier.
10. Spazialmente normalizzare movimento corretto delle immagini ad un in-house modello a spirale fMRI con un 12-parametro trasformata affine con interpolazione sinc e liscio con un filtro gaussiano di 6 mm full-larghezza-in-mezzo-al massimo per aumentare il rapporto segnale-rumore rapporto.
11. Rimuovere i primi cinque volumi di immagine in ogni seduta, in cui i cambiamenti del segnale transitorio si verificano magnetizzazione cervello raggiunge uno stato stazionario.
12. Eseguire analisi univariata utilizzando Mapping statistico parametrico 2 (SPM2) dove sono convoluta vettori di identificare l'immagine corrispondente al tempo di inizio di ciascun evento con l'emodinamica-risposta-funzione (HRF) ed è entrato in un voxel-saggio di regressione lineare multipla ^14.
13. Calcolare le stime dei parametri per ciascuno dei covariate che riflettono variazioni del segnale BOLD per evento-tipo, rispetto al basale.
14. Usa voxel-level t-statistiche per effettuare contrasti confrontando regioni cerebrali attività che sono impegnate in modo differenziato tra le attività (ad esempio la memoria di lavoro rispetto al compito di controllo) e gruppi (ad esempio mTBI controlli contro).
15. Combinare le informazioni dal sistema HIT (media grandezza cioè degli impatti testa per ogni giocatore) con i dati di neuroimaging strutturale e funzionale. Per valutare queste interrelazioni, utilizzare l'analisi PLS.
16. Utilizzare la grandezza media degli impatti testa per ogni giocatore di eseguire un PLS comportamentali che riguardano la grandezza media delle differenze nei modelli di attività cerebrale durante l'esecuzione del compito di memoria di lavoro.

9. Rappresentante Risultati

Testa l'impatto sul sistema di telemetria

La tabella 3 mostra i dati quantitativi relativi impatti registrati per illustrato in Figura 2. Picco di accelerazione lineare è l'accelerazione lineare massima della testa di un giocatore durante l'impatto. Le unità sono g di. A g è l'accelerazione di gravità al livello del mare (9,8 metri al secondo quadrato). Picco di accelerazione di rotazione è l'accelerazione massima di rotazione della testa di un giocatore durante l'impatto. Le unità sono radianti al secondo quadrato. Azimuth è una misura del punto d'impatto. Azimuth è definito da -180 ° a 180 ° con 0 ° nella parte posteriore della testa l'azimut e positivo verso il lato destro della testa. Elevazione è l'altra misura di punto d'impatto. Elevation è definito da 0 ° (piano orizzontale passante per il centro della testa di gravità) a 90 ° (sommità del capo).

Risonanza magnetica funzionale

La Figura 3 mostra i risultati di serie fMRI da a) gli atleti una commozione cerebrale con la risoluzione dei sintomi e b) con delibera n. sintomo. Nota: task attività connesse cervello nella regione frontale sono chiaramente osservati solo negli atleti con la risoluzione dei sintomi.

Figura 1. Schema del compito esternamente ordinato memoria di lavoro.

Figura 2. Esempio di dati di sistema HIT interfaccia che mostra i vettori direzionali che indicano la posizione per i sei colpi descritti nella tabella 3. Simbex 2006.

Figura 3. Risultati fMRI seriale da a) gli atleti una commozione cerebrale con la risoluzione dei sintomi e b) con delibera n. sintomo. PCS = sintomi post-commozione cerebrale, n = numero di soggetti; ▲ cambiare BOLD = a livello del segnale di ossigenazione del sangue a carico; DLPC = corteccia prefrontale dorsolaterale.

Tipo di scansione	Sequenza	TE/TR/TI/FA1	Matrix / FOV (cm) 2	NEX3	SLICSpessore e / # Fette	Altro	Tempo di scansione
T1 pesata	3D gradient echo viziati con preparazione inversione (SPGR-IRprep)	5.9/1.3/300/20	256 160/22	2	1.4/128		07:30
PD/T2 ponderata	Dual-echo echo rotazione veloce (FSE)	20.102 / 2.9s /	256 192/22	2	3 / 48	interleaved	12:00
FLAIR	FSE-IRprep	140/9.3s/2.2s /	256 192/22	1	3 / 48		04:12
Tensore di diffusione	A colpo singolo eco di imaging planare, con spin echo doppio	min / ~ 9s /	128 128/33	2	2.6/50 +	b-value: 1000 s/mm2 Orientamenti gradiente: 23 B0: 2 gating periferici	06:30
T2 *	Gradiente eco	20/350 / / 20	256 192/22	1	3 / 48	interleaved	04:30
fMRI	Single-shot T2 *, con spirale in / out lettura	30/2s / / 70	64 64/20		5 / 26	periferico di monitoraggio: respirazione, cardiaca	12:00-15:00
QT2	Poon e Henkleman	10/2500 /	128 128/24	4	4 / 1		21:00
						TOTALE	70:42

Tabella 1. Dettagli dei parametri di scansione Per clinica e funzionale sequenze RM a 3T.

¹ TE (echo time); TR (tempo di ripetizione), TI (inversione tempo), FA (angolo flip)
² FOV (campo visivo)
³ NEX (numero di eccitazioni)

Tempo	Post-Commozione cerebrale scala dei sintomi (PCS)	Lavoro Memoria Compito	Equilibrio	Coordinazione	Neuropsicologici Valutazione
Linea di base 1 ° anno	X	X	X	X	X
Post-Commozione cerebrale (PC) Giorno 1	X	X	X	X
PC Giorno 2	X
PC di 3-4 giorni	X
PC Giorno 5-6	X	X	X	X
PC Giorno 7	X
Settimanale dopo il 7 ° giorno	X
PCS Risoluzione	X	X	X	X	X
Baseline Anno 2	X	X	X	X	X

Tabella 2. Somministrazione di misure neuropsicologici per tutti i soggetti.

Nota: ogni singolo soggetto commozione cerebrale verranno abbinati con rete ortopedica e non soggetti lesioni controllo. I soggetti di controllo sarà amministrato le misure per il telaio stesso tempo una commozione cerebrale del soggetto vengono abbinate con. Per esempio, se un soggetto risoluzione commozione cerebrale esperienza dei sintomi PCS il giorno 14, un soggetto di controllo ortopedico e un soggetto di controllo senza pregiudizio essere somministrato anche la valutazione neuropsicologica completa il giorno 14 (cioè trattati come se i sintomi loro 'PCS' risolto il giorno 14) al fine di corrispondere i punti di dati.

Data Evento	Time Event	Picco di accelerazione lineare	Picco di accelerazione di rotazione	Azimut	Elevazione
2006/10/29	15:39:01:410	22,45	2.842,32	-67,30	29,05
2006/10/29	15:47:02:120	7,09	478,66	-116,53	-61,24
2006/10/29	16:21:40:190	15,25	1.288,01	-83,96	-52,09
2006/10/29	16:48:31:910	8,91	603,32	-134,04	16,33
2006/10/29	16:48:32:060	18,18	1.256,09	60,36	10,36
2006/10/29	17:04:50:110	20,18	1.093,22	-4,47	50,31

Tabella 3. Campione di dati raccolti da un giocatore con un casco.

Discussion

Prevediamo che quei giovani che mostrano il maggiore impatto sulla materia cerebrale bianca mostra la più grande riorganizzazione delle attività del cervello, e la più lunga comportamentali e periodi di recupero neurale. Questa ricerca fornirà una migliore comprensione delle pediatrica post-commozione cerebrale e gli eventi hanno un impatto significativo sulla cura medica, in quanto ci consentirà di stabilire un protocollo di recupero sulla base di evidenze di ricerca che è specifica per i bambini ei giovani. Tale protocollo può poi essere tradotto in parti interessate, compresi i genitori, allenatori e medici. Per raggiungere questi obiettivi, ci caratterizzare e quantificare ulteriormente le sequele neuropsicologiche e neuronali in una commozione cerebrale atleti pediatrica. Abbiamo anche misura di miglioramento cognitivo e cambiamenti nella struttura cerebrale e modelli di attività che accompagnano il recupero comportamentale. Inoltre, lo studio fornirà un nuovo sguardo l'impatto del trauma cranico e reiterate non concussive testa impatti a lungo termine plasticità cerebrale e lo sviluppo nei giovani.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
AccuGait Portable Gait and Balance Platform (Balance Assessment)	AMTI		www.amti.biz
NetForce Balance Data Acquisition Software	AMTI		www.amti.biz
Visual Conflict Dome			Fabricated by researchers; modeled after: Lovell MR, Collins MW. Neuropsychological assessment of the college football player. J Head Trauma Rehabil. 1998;13(2):9-26.
Airex Balance Pad	Airex		www.bebalanced.net
Smedlay’s Dynamometer, 100 kg(Grip Strength)	TTM, Tokyo
Grooved Pegboard Test	Lafayette Instruments		www.lafayetteinstrument.com
Axon Jump Mat	Vacumed		www.vacumed.com
Strength Bar			Fabricated by researchers: 31" titanium lacrosse handle Two 40" utility chains 24" x 26" plywood platform Two dock ring fasteners Two U-bolts (1" width)
Head Impact Telemetry (HIT) System	Simbex		www.simbex.com
Post-Concussion Symptoms Scale Revised (PCS-R)			Adapted from: Lovell MR, Collins MW. Neuropsychological assessment of the college football player. J Head Trauma Rehabil. 1998;13(2):9-26.
GE Discovery MR750 3.0T MRI Scanner	GE Healthcare		www.gehealthcare.com
GE 8 channel head coil	GE Healthcare		www.gehealthcare.com
Lumitouch Reply System	Lightwave Medical Industries		Vancouver, BC 1-(604)-875-4529
Back projection screen (for presenting fMRI stimuli)	Unknown
Disposable foam ear plugs	PAR Inc.		www.parinc.com
Neuropsychological Tests	Pearson Assessments		www.pearsonassessments.com