Une enquête sur les effets en matière de sport commotions dans la jeunesse utilisant l'imagerie par résonance magnétique et le système de télémétrie choc de la tête

Summary

Cet article donne un aperçu d'une approche multi-modale à légère le diagnostic des lésions traumatiques du cerveau et de la récupération chez les jeunes. Cette approche combine des tests neuropsychologiques avec l'imagerie fonctionnelle par résonance magnétique et le système de télémétrie choc de la tête pour suivre la relation entre les chocs à la tête et l'activité du cerveau pendant des tests cognitifs.

Abstract

L'une des blessures les plus fréquemment rapportés chez les enfants qui participent à des sports est une commotion cérébrale ou de traumatisme cérébral léger (TCCL) ^1. Les enfants et les jeunes impliqués dans des sports organisés, comme le hockey compétitive sont presque six fois plus susceptibles de souffrir d'une commotion cérébrale sévère par rapport aux enfants impliqués dans les activités de loisirs physiques ^2. Alors que les séquelles les plus communes d'un TCL cognitives semblent similaires pour les enfants et les adultes, le profil de récupération et de l'ampleur des conséquences chez les enfants reste largement inconnu ^2, tout comme l'influence de la pré-blessures caractéristiques (sexe, par exemple) et les détails des blessures (par exemple, l'ampleur et la direction d'impact) sur le long terme. Les sports de compétition, comme le hockey, permettre à la rare opportunité d'utiliser un design avant-après pour obtenir avant de se blesser les données avant de commotion se produit sur les caractéristiques des jeunes et du fonctionnement et de relier cette blessure à l'issue suivante. Nos principaux objectifs sont d'affiner le diagnostic et la gestion des commotions cérébrales pédiatriques basées sur des preuves de recherche qui est spécifique aux enfants et aux jeunes. Pour ce faire, nous utilisons de nouvelles approches multi-modales et intégrative qui:

1. Évaluer les effets immédiats du traumatisme crânien chez les jeunes
2. Surveiller la résolution des symptômes post-commotion cérébrale (SCP) et la performance cognitive lors de la récupération
3. Utiliser de nouvelles méthodes pour vérifier les lésions cérébrales et la récupération

Pour atteindre nos objectifs, nous avons implémenté la télémétrie (Head Impact HIT) du système. (Simbex; Lebanon, NH, USA). Ce système équipe commercialement disponibles Easton S9 casques de hockey (Easton-Bell Sports, Van Nuys, Californie, USA) avec un seul axe d'accéléromètres conçus pour mesurer les accélérations tête en temps réel lors d'un contact participation au sport ^{3 - 5.} En utilisant la technologie télémétrique, l'ampleur de l'accélération et la localisation de tous les chocs à la tête lors de la participation sportive peut être objectivement détectée et enregistrée. Nous utilisons aussi l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) pour localiser et évaluer les changements dans l'activité neuronale en particulier dans les lobes temporaux et frontaux médial lors de l'exécution de tâches cognitives, puisque ce sont les régions cérébrales les plus sensibles aux blessures à la tête commotion ^6. Enfin, nous sommes d'acquérir des données d'imagerie structurelle sensible aux dommages de la substance blanche du cerveau.

Protocol

1. Obtention d'avant la lésion Baseline Profile neuropsychologiques sur le Sujet

1. Avant de soumettre arrivée pour le test, s'assurer que tous les équipements fonctionne correctement et prêt pour les essais et que la salle est libre de distractions inutiles.
2. Après examen des parents et sous réserve de son consentement, sous réserve de mesurer et de la circonférence d'enregistrement de taille, le poids et la tête.
3. Administrer évaluation de l'équilibre tout sujet est debout sur la plaque vigueur dans l'ordre des conditions suivantes: A1 - sur la plaque vigueur, les yeux ouverts; A2 - sur la plaque vigueur, les yeux fermés; A3 - sur la plaque vigueur, tout en portant le dôme conflit visuel.
4. Placez AirexBalance-pad sur le dessus de la plaque de la force et l'administration répétée de conditions évaluation de l'équilibre (A1-A3) ayant le stand objet sur le dessus de la plaque AirexBalance-pad et la force combinée.
5. Mesurer et enregistrer la force de préhension main et administrer le test pegboard rainuré pour les deux mains gauche et droite.
6. Administrer l'épreuve du saut sur le tapis de saut, d'abord d'une position accroupie, puis la contre-mouvement, complétant trois essais pour chaque poste.
7. Conduite jambe test maximal contraction volontaire en utilisant la plaque de la force et la barre de force.
8. Administrer batterie de tests neuropsychologiques dans l'ordre suivant en fonction de l'évaluation Instructions Manuel: post-commotion cérébrale Symptôme Échelle-révisée; Mood Liste enfant d'auto-évaluation; Questionnaire préférence manuelle Waterloo; test Rey Complex Figure: Essai de copie; verbal d'essai maîtrise; test Rey Figure complexe: Essai rappel immédiat; verbale tâche de mémoire de travail; Rey auditif test d'apprentissage verbal; test Rey Figure complexe: Essai rappel différé; test Rey Figure complexe: Essai de reconnaissance; Couleur Stroop et test Parole; Symbole chiffres modalités du test; Couleur enfants Sentiers de test; travail visuel tâche de mémoire; Rey auditif test d'apprentissage verbal: rappel différé; auditif Rey apprentissage test verbal: Essai de reconnaissance; travail des enfants Paced Auditory Serial attention (voir Figure 1 pour une illustration des tâches de mémoire verbale et visuelle de travail).
9. Score des tests neuropsychologiques en suivant les instructions correspondantes de test manuel, le cas échéant.
10. Entrez tous les résultats des tests dans la base.

2. Acquérir structurale et fonctionnelle de base Images IRM sur Objet

1. Avant la session de test, une entrevue de dépistage par IRM par téléphone afin d'assurer en toute sécurité participant peut soumettre à une IRM.
2. En arrivant à leur séance d'essais, l'examen consentement / assentiment formulaire avec le sujet et de leur parent (s), répéter le dépistage par IRM, fournir une orientation approfondie et un aperçu de la machine d'IRM et d'expérimenter de manière adaptées à leur âge. Demandez si le sujet a des questions.
3. Avez objet enlever tous les bijoux en métal, accessoires et objets de poches.
4. Démontrer comment l'objet est de répondre aux stimuli présentés lors de la tâche de mémoire de travail grâce à l'utilisation des palettes Lumitouch (une IRM-safe 'mouse' avec les boutons gauche et droite uniquement).
5. Avez-les bouchons d'oreille sous réserve d'insertion.
6. Avez le sujet couché sur le lit du scanner.
7. Position de la tête dans la bobine tête et stabiliser la tête à l'aide d'inserts en mousse et une sangle de rappel à travers le front. Si le participant besoin de lentilles correctrices pour voir l'écran d'ordinateur, les adapter à l'IRM-compatible avec les lunettes de force de prescription appropriée.
8. Déplacer la vitre du scanner dans le scanner.
9. Écran vidéo à l'extérieur d'alésage de scanner et sous réserve d'orienter au miroir de la tête sur la bobine où la tâche de mémoire de travail seront projetés.
10. Obtenir image pondérée T1 structurelles en utilisant la 3D gradient gâtés avec la préparation d'inversion (3D-SPGR IRprep) (voir tableau 1 pour une description complète des paramètres de numérisation).
11. Administrer la tâche de mémoire de travail et de recueillir des images IRM fonctionnelle en utilisant seule-shot T2 *- imagerie pondérée avec spirale in / out lecture ^7.
12. Obtenir l'image FLAIR.
13. Obtenir PD/T2 image pondérée en utilisant la double-écho écho de spin rapide (2D-FSE-XL) en utilisant ATOUT. ASSET est désactivée si hypersignaux de la substance blanche sont visibles sur l'image FLAIR.
14. Obtenir T2 *- images pondérées à l'aide structurelle gradient rappelé écho (GRE).
15. Obtenir deux imagerie du tenseur de diffusion (DTI) ensembles de données (3 s'il le temps le permet) en utilisant seul coup d'imagerie écho-planaire avec double écho de spin.
16. Retirer l'objet du scanner.

3. Enregistrement de la force et la direction des coups à la tête de télémétrie utilisant le Head Impact (HIT) Système

1. Obtenir un bon ajustement pour le casque de hockey sur la tête du sujet.
2. Retirez les piles du casque et de charger complètement, puis retour à casque.
3. S'assurer que le casque et le système HIT sont la transmission et la réception de données, respectivement, avant de recueillir des données de jeu.
4. Recueillir des données pendant le jeu, recording de chaque période de hockey arrêter et de démarrer le temps.
5. Envoyer des données pour le traitement via le mécanisme de synchronisation à l'aide Simbex connexion internet.

4. Performing post-TCCL neuropsychologique des tests de suivi

1. Le même jour, comme un rapport de blessure est reçu, remplissez le formulaire de rapport Hit blessures avec le parent pour obtenir des détails cliniques et fonctionnels concernant le préjudice.
2. Administrer le PCS-R pour le sujet et de déterminer la sévérité des symptômes courants.
3. Environ 1 jour post-traumatique: administrer PCS-R. Si les symptômes ne sont pas résolus (c'est à dire ne sont pas revenus aux niveaux de base), ne pas administrer pleine batterie de tests neuropsychologiques.
4. Si les symptômes du sujet permettent, compléter l'évaluation de l'équilibre (voir 1.3 et 1.4) et test du saut (voir 1.6).
5. Si les symptômes du sujet le permettent, d'administrer la jambe test maximal contraction volontaire (voir 1.7).
6. Si les symptômes du sujet permettent de tester la fois physique est terminée, la tâche d'administrer la mémoire verbale et visuelle de travail.
7. Continuer à administrer le PCS-R jusqu'à disparition des symptômes (c.-retour aux niveaux de référence) selon l'horaire indiqué dans le tableau 2.
8. Environ 5 jours post-traumatique: administrer PCS-R. Si les symptômes ne sont pas résolus séquence des tests répétés ci-dessus (voir 4.3 à 4.6).
9. Si les symptômes sont toujours pas résolus après 7 jours après la blessure, continuer à administrer le PCS-R par semaine jusqu'à disparition des symptômes.
10. Pour les sujets dont les symptômes ont résolu, répétez les étapes 1.2 à 1.9.
11. Passez à l'IRM structurelle et fonctionnelle de suivi session de numérisation (se référer à la section 5).

5. Acquérir structurale et fonctionnelle IRM post-TCCL Suivi Images

1. L'horaire est sujet pour le suivi session de numérisation dans les 72 heures après la blessure.
2. Répétez les étapes 2.2 à 2.16 ci-dessus.
3. Si les symptômes ne sont pas résolues au moment de la première session de suivi de numérisation, à planifier un suivi de la deuxième session de numérisation lorsque les symptômes sont résolus et répétez les étapes 2.2 à 2.16 comme indiqué ci-dessus.

6. Exécution Sujet témoins appariés neuropsychologique des tests de suivi

1. Examiner les âges (années et mois) de tous les sujets inscrits à l'expérience et générer une liste de potentiels âge et le sexe sujets témoins appariés selon les dates de naissance correspondant à un délai de 3 mois dans la même année civile pour chaque sujet de TCL.
2. Contactez sujets témoins et séance d'essais calendrier.
3. Répliquer protocole de test pour le sujet de TCL correspond à l'égard de la synchronisation et le nombre de séances de suivi. Répétez les étapes ci-dessus 01.02 à 01.16, comme indiqué. Par exemple, si les symptômes du sujet de TCL ont été résolus dans les 24 heures et ils ne terminé une session de tests de suivi qui comprenait toute la batterie neuropsychologique, puis reproduire ce protocole avec le sujet témoin apparié.
4. Passez à l'IRM structurelle et fonctionnelle de suivi session de numérisation (voir la section 7).

7. Acquérir structurale et fonctionnelle IRM Matched Images Sous contrôle

1. Répétez les étapes 2.2 à 2.16 ci-dessus.
2. Si le sujet de contrôle est adapté à un sujet de TCL qui a terminé deux séances de suivi de numérisation en raison de symptômes non résolus, le calendrier d'une session du second test correspondant l'intervalle de temps entre les sessions (nombre de jours) et répétez les étapes 2.2 à 2.16 comme indiqué ci-dessus.

8. Analyses de données

1. Calculer les statistiques descriptives (moyenne et écart-type) pour l'ampleur et le nombre de coups à la tête de chaque joueur comme obtenues par le système HIT, la normalisation des données par joueur par match.
2. Calculer le score de changement de base pour chaque score au test neuropsychologique ensemble de TCL et de sujets témoins appariés.
3. Effectuer une échantillons appariés t-test avec groupe comme entre le facteur de sujets (TCCL versus contrôle) et le changement dans la performance de tests neuropsychologiques comme la variable dépendante d'analyser l'effet d'un TCL de la fonction neuropsychologique.
4. Utiliser l'image cliniques PD/T2-weighted jeux pour générer des mesures volumétriques ensemble du cerveau pour mesurer le gonflement global dans le cerveau immédiatement post-TCCL.
5. Pour chaque sujet de TCL, les images pondérées en T1 sont utilisées pour calculer les changements de volume des tissus focale utilisant deux calculs complémentaires de champs de déformation non linéaire. D'abord, inscrivez-scans de référence pour chacune des scans de suivi. Deuxièmement, le calcul de la déformation entre les paires consécutives de scans, pour capturer court terme scan-to-scan différences.
6. Corriger les données DTI pour courants de Foucault distorsions et mouvement de la tête, et de réorienter les directions du gradient avant de calculer les paramètres du tenseur de diffusion. Pour TCCL versus non-TCCL études de groupe, utilisez la méthode du tube basée sur les statistiques spatiales (TBSS), récemment introduit par le groupe d'Oxford ^8.
7. Identifier tous les hypersignaux de la substance blanche sur les images FLAIR et microbleeds sur les images GRE pour séparer les régions de la normale de la matière blanche apparaissant de ceux qui ont subi des dommages après-TCCL ^9. Utilisez ces endroits pour en extraire des mesures quantitatives dérivées de la DTI (anisotropie fractionnelle, FA, diffusivité moyenne, D, et la diffusivité radiale, DR).
8. Pour les analyses DTI, corréler TBSS valeurs de voxels avec les données HITS telemetery (magnitude savoir et le nombre de coups à la tête), en utilisant la méthode multivariée Partial Least Squares l'analyse ^{de 10 à 13.} Partial Least Squares (PLS) est une technique multidimensionnelle qui permet d'identifier l'ensemble du cerveau des modèles d'activité qui varient avec les conditions expérimentales ou de comportement.
9. Des images IRMf pré-processus via coregistration spatiale à un volume premiers repères de la première exécution d'imagerie pour corriger les mouvements de la tête, suivie par une interpolation 3D transformée de Fourier.
10. Spatialement normaliser les mouvements images corrigées à un modèle en interne en spirale IRMf utilisant un paramètre affine 12 transformer avec sinc d'interpolation et lisse avec un filtre gaussien de 6 mm sur toute la largeur-à-demi-maximale pour augmenter le rapport signal-bruit ratio.
11. Retirez les cinq volumes d'images dans chaque série, dans laquelle les changements se produisent signal transitoire que l'aimantation du cerveau atteint un état stable.
12. Effectuer des analyses univariée utilisant la cartographie statistique paramétrique 2 (SPM2) où les vecteurs d'identification de l'image correspondant au temps de l'apparition de chaque événement sont convoluée avec le hémodynamique-réponse-fonction (FRS) et est entré en un voxel-sage de régression linéaire multiple ^14.
13. Calculer les estimations des paramètres pour chacun des covariables qui reflètent les changements dans le signal BOLD par événement de type, par rapport aux valeurs initiales.
14. Utilisez voxel au niveau statistique t pour effectuer des contrastes comparant l'activité des régions cérébrales qui sont différemment engagées dans des tâches (par exemple la mémoire de travail par rapport aux tâches de contrôle) et des groupes (par exemple, des contrôles par rapport TCCL).
15. Combiner des informations provenant du système HIT (ie ampleur moyenne des chocs à la tête de chaque joueur) avec structurale et fonctionnelle des données de neuroimagerie. Pour évaluer ces interrelations, utiliser l'analyse de PLS.
16. Utilisez l'ampleur moyenne des chocs à la tête de chaque joueur d'exécuter un PLS comportementales qui concernent l'ampleur moyenne à des différences dans les modèles d'activité du cerveau pendant l'exécution de la tâche de mémoire de travail.

9. Les résultats représentatifs

Système de télémétrie choc de la tête

Le tableau 3 montre les données quantitatives enregistrées pour les effets correspondants illustrés dans la Figure 2. Pic d'accélération est linéaire, l'accélération linéaire maximale de la tête d'un joueur pendant l'impact. Les unités sont en g. Un g est l'accélération de la pesanteur au niveau de la mer (9,8 mètres par seconde au carré). Pic d'accélération de rotation est l'accélération maximale de rotation de la tête d'un joueur pendant l'impact. Les unités sont radians par seconde carrée. Azimut est une mesure de point d'impact. Azimut est défini de -180 ° à 180 ° avec 0 ° à l'arrière de la tête de l'azimut et positif sur le côté droit de la tête. Elevation est l'autre mesure de point d'impact. Elevation est définie à partir de 0 ° (plan horizontal passant par le centre de la tête de gravité) à 90 ° (couronne de la tête).

L'IRM fonctionnelle

La figure 3 montre les résultats d'IRMf série à partir d'un des athlètes) commotionnés souffrant de la résolution des symptômes et b) sans la résolution des symptômes. Remarque: La tâche des activités liées cerveau dans la région frontale sont clairement observés que chez les athlètes ayant la résolution des symptômes.

Figure 1. Schéma de la tâche de mémoire de travail externe commandé.

Figure 2. Exemple de données système HIT d'interface montrant les vecteurs directionnels indiquant l'emplacement pour les six coups décrites dans le Tableau 3. Simbex 2006.

Figure 3. IRMf résultats d'une série athlètes) commotionnés souffrant de la résolution des symptômes et b) sans la résolution des symptômes. PCS = symptômes post-commotion cérébrale; n = nombre de sujets; ▲ changement dans le signal BOLD = taux sanguin d'oxygénation à charge; DLPC = cortex préfrontal dorsolatéral.

Type de numérisation	Séquence	TE/TR/TI/FA1	Matrice / FOV (cm) 2	NEX3	Slicépaisseur e / # Slices	Autres	Temps de scrutation
Pondérées en T1	3D écho de gradient gâtés avec la préparation d'inversion (SPGR-IRprep)	5.9/1.3/300/20	256 160/22	2	1.4/128		07:30
PD/T2 pondérés	Double-écho de spin écho rapide (FSE)	20102 / 2.9s /	256 192/22	2	3 / 48	entrelacées	12:00
FLAIR	FSE-IRprep	140/9.3s/2.2s /	256 192/22	1	3 / 48		04:12
Diffusion Tensor	Monocoup imagerie écho planar, avec écho de spin double	min / ~ 9s /	128 128/33	2	2.6/50 +	b-valeur: 1000 s/mm2 Orientations Gradient: 23 B0: 2 gating périphériques	06:30
T2 *	Écho de gradient	20/350 / / 20	256 192/22	1	3 / 48	entrelacées	04:30
IRMf	Single-shot T2 *, avec spirale in / out lecture	30/2s / / 70	64 64/20		5 / 26	surveillance périphérique: la respiration, cardiaques	12:00-15:00
qt2	Poon & Henkleman	10/2500 /	128 128/24	4	4 / 1		21:00
						TOTAL	70:42

Tableau 1. Détails des paramètres de numérisation Pour les séquences IRM clinique et fonctionnelle au 3T.

¹ TE (écho du temps); TR (temps de répétition); TI (inversion du temps); FA (angle de bascule)
² FOV (champ de vision)
³ NEX (nombre d'excitations)

Temps	Échelle des symptômes post-commotion cérébrale (PCS)	De travail Mémoire Tâche	Balance	Coordination	Neuropsychologiques Évaluation
Une année de référence	X	X	X	X	X
Post-commotion cérébrale (PC) Jour 1	X	X	X	X
Jour 2 PC	X
Journée PC 3-4	X
Journée PC 5-6	X	X	X	X
Jour 7 PC	X
Hebdomadaire après Jour 7	X
Résolution PCS	X	X	X	X	X
2 Année de base	X	X	X	X	X

Tableau 2. Administration des mesures neuropsychologiques pour tous les sujets.

Remarque: Chaque sujet individuel commotionné seront jumelés avec des orthopédistes et aucun des sujets de contrôle des blessures. Les sujets de contrôle seront administrés les mesures pour le cadre en même temps que le sujet commotionné elles sont rattachées. Par exemple, si une résolution soumise commotionné expérimentée de PCS symptômes au jour 14, un sujet de contrôle orthopédiques ainsi que d'un sujet aucune lésion de contrôle serait également administré l'évaluation neuropsychologique complète au jour 14 (soit traité comme si les symptômes de leurs "PCS" résolu le jour 14) afin de faire correspondre les points de données.

Date de l'événement	Heure de l'événement	Pic d'accélération linéaire	Pic d'accélération de rotation	Azimut	Altitude
29/10/2006	15:39:01:410	22,45	2842.32	-67.30	29,05
29/10/2006	15:47:02:120	7,09	478,66	-116,53	-61.24
29/10/2006	16:21:40:190	15,25	1288.01	-83.96	-52.09
29/10/2006	16:48:31:910	8,91	603,32	-134,04	16,33
29/10/2006	16:48:32:060	18,18	1256.09	60,36	10,36
29/10/2006	17:04:50:110	20,18	1093.22	-4,47	50,31

Tableau 3. Échantillon de données recueillies à partir d'un joueur avec un casque.

Discussion

Nous prédisons que les jeunes qui montrent le plus d'impact sur la matière blanche du cerveau montre le plus grand de réorganisation de l'activité cérébrale, et la plus longue du comportement et des périodes de récupération de neurones. Cette recherche permettra une meilleure compréhension de pédiatrie post-commotion cérébrale événements et avoir un impact significatif sur les soins médicaux, comme elle nous permettra d'établir un protocole de récupération basés sur les données de recherche qui est spécifique aux enfants et aux jeunes. Un tel protocole peut ensuite être traduite pour les intervenants, y compris les parents, les entraîneurs et les médecins. Pour atteindre ces objectifs, nous allons caractériser et de quantifier davantage les séquelles neuropsychologiques et neural chez les athlètes commotionné pédiatrique. Nous mesurons également l'amélioration cognitive et des changements dans la structure du cerveau et des modèles d'activité qui accompagnent la récupération comportementale. En outre, l'étude fournira un nouveau regard sur l'impact d'une commotion cérébrale et répété chocs à la tête non-commotion sur la plasticité cérébrale à long terme et le développement dans la jeunesse.

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