Summary
脳震盪の潜在的な電気生理学的バイオマーカーとしてのSSVEPを調査するために、定常状態の視覚誘発電位を測定できるポータブルシステムが開発され、65人のアマチュアラグビー選手を18週間にわたって試験しました。選手のベースラインはシーズン前に測定され、信頼性、脳震盪、回復の評価の再テストは、それぞれ制御された期間内に実施されました。
Abstract
定常状態の視覚誘発電位(SSVEP)を測定できるポータブルシステムが開発され、外傷性事象後の脳波(EEG)検査の客観的で定量化可能な方法が提供された。この研究では、SSVEPが脳震盪の信頼できる電気生理学的バイオマーカーであるかどうかを決定するために、シーズンを通して65人の健康なラグビー選手にポータブルシステムを使用しました。コンペティションシーズンに先立ち、すべてのプレイヤーはベースラインのSSVEP評価を受けました。シーズン中、選手は試合から72時間以内にテスト-再テストの信頼性または怪我後の評価のために再テストを受けました。医学的に診断された脳震盪の場合、プレーヤーは医師によって回復したとみなされると再び再評価されました。SSVEPシステムは、15Hzのちらつき刺激を提供するVRフレームに収容されたスマートフォンで構成され、ワイヤレスEEGヘッドセットは後頭部活動を記録しました。プレイヤーは、座って静かにしたまま、画面の固定ポイントを見つめるように指示されました。電極は10-20のEEG位置決め命名法に従って配置され、O1-O2は記録チャンネルであり、P1-P2はそれぞれリファレンスとバイアスである。すべてのEEGデータは、バターワースバンドパスフィルタ、フーリエ変換、および正規化を使用して処理され、周波数分析のためにデータを変換しました。プレイヤーのSSVEP応答は、15Hzが所望の信号である信号対雑音比(SNR)に定量化され、比較のためにそれぞれの研究グループに要約された。脳震盪を起こした選手は、ベースラインと比較してSNRが有意に低いことが見られました。しかしながら、回復後、それらのSNRはベースラインと有意に異ならなかった。テストと再テストでは、ノートブックコンピュータのデバイス信頼性が高いことが示されました。改良されたポータブルSSVEPシステムも、確立された脳波増幅器に対して検証され、調査設計が研究品質の脳波測定値を得ることができることを確認しました。これは、脳震盪後のアマチュアアスリートにおけるSSVEP応答の違いを特定した最初の研究であり、脳震盪の評価と管理の補助としてのSSVEPの可能性を示しています。
Introduction
今の人々は、スポーツ1における脳損傷によって引き起こされる罹患率を大いに認識しています。スポーツ関連の脳震盪(SRC)は、サッカー、ラグビー、ボクシングなどのコンタクトスポーツで頻繁に報告される軽度の外傷性脳損傷(mTBI)の一種です2,3,4。フィールドへの影響に続く脳への衝動力の生体力学的形質導入は、ニューロン機能の破壊をもたらし、アスリートの身体的、認知的、および感情的状態に影響を与える即時および一過性の症状の両方をもたらす1,5。ほとんどの場合、これらの症状は短期間で鎮静化し、アスリートが適切に治療され、さらなる影響にさらされないことを条件とする6。
SRCは選手の神経学的健康に有害であるため、スポーツの運営機関は、安全でタイムリーな脳震盪診断を採用して安全な復帰プロトコル5、7、8、9を可能にするという課題に直面しています。しかし、脳震盪の診断を避けるために症状を最小化または否定するアスリートによって脳震盪の検出が妨げられ、プレーへの復帰が加速する可能性があります。これらの行動は、脳震盪回復フェーズ10中の第2の頭部外傷に続いて急速な脳浮腫が形成される状態であるセカンドインパクト症候群のリスクを潜在的に高める可能性がある。さらに、脳震盪診断に関する教育の欠如とその生理学的定義の可変的な性質のために、SRCが報告されないか誤診されることは珍しくありません11。残念なことに、長期間の反復的かつ不適切に管理された脳震盪は、SRC12,13,14と強く関連している慢性外傷性脳症(CTE)などの慢性神経学的障害の範囲につながる可能性がある。
SRCに関連する課題に対処するために、スポーツ組織はさまざまな脳震盪評価ツールを利用しています。最も一般的に使用され、アクセス可能なツールであるスポーツ脳震盪評価ツール(SCAT)は、身体的および認知的評価をスケーリングされた症状報告と組み合わせて組み込んだ標準化された紙のテストです15,16。しかし、以前の研究では、mTBI群内の性差と対照群の外れ値を特定することにより、症状報告が主観的で信頼性が低いことが実証されています17,18。コンピュータ化された神経認知テスト(CNT)として機能する即時脳震盪後評価ツール(ImPACT)など、専門家レベルで利用されるより高度なツールも、アスリートの積極的な参加と努力を必要とするため、操作の犠牲になります。CNTの操作に対する組み込みのチェックにもかかわらず、研究は、それらが天井効果を起こしやすく、信頼性が低いことを示しています19,20。これらの既存の評価ツールの限界と、SRCの重大な健康影響に関するより一般の理解の組み合わせにより、脳震盪を正確かつタイムリーに診断できる客観的なバイオマーカーが決定的に必要になりました。
脳震盪の客観的バイオマーカーを同定する上で有望視されている分野の一つが電気生理学です。事象関連電位、特に視覚誘発電位(VEP)が脳震盪後に損なわれるという新たな証拠がある21,22。VEPの1つのサブセット。定常状態視覚誘発電位(SSVEP)は、脳波(EEG)技術23,24によって測定されるように、視覚刺激の特定のセットに応答して脳内で起こる電気的活動の客観的で定量化可能な変動である。SSVEPは、従来のVEP測定に対するノイズアーチファクトと可変接触インピーダンスに対する耐性を向上させます。また、視覚刺激の制御された周波数のために、脳波記録と刺激との間の同期性の低下があり、その結果、より単純化された電気モデル25、26が得られる。このアプローチは、フリッカー型刺激27に対してサリエンスの最適な応答を生成する12〜15Hz範囲の間の周波数で検証されている。全体として、これらの利点は、SSVEPがスポーツ分野や医師のオフィスなどの非臨床環境で使用できる、より堅牢な電気生理学的測定を提供することを意味します。この副次的な応用の可能性は、以前の文献におけるこの技術の肯定的な結果と相まって、SRCの客観的バイオマーカーの同定のための有望な候補となる。
この研究の目的は、経験豊富なスポーツドクターによって健康、脳震盪、または最近の脳震盪から回復したと評価されたアスリートから記録されたSSVEPの潜在的な違いを調査することでした。この調査の方法論では、65人の男性アマチュアラグビーユニオン選手が、18週間の競技シーズンにわたってポータブルSSVEPシステムで定期的に評価されました。プレイヤーは、フルコンタクトトレーニングの開始前にベースラインの評価を受け、競技試合後72時間以内に再評価されます。シーズン中に負傷した選手は、チームの医師によって脳震盪について評価され、怪我後および回復の測定値についてSSVEPシステムで再評価されました。さらに、この研究は、SRCの副次的な評価に役立つ可能性のある研究品質の脳波測定値を取得するポータブルSSVEPシステムの能力を検証するために、そのプロトコルを拡張します。
Protocol
プロトコルの最初の部分の承認は、南東シドニー地方保健地区(ESLHD)の人間研究倫理委員会(HREC)から取得されました。すべてのプレイヤーに詳細な参加者情報シートが提供され、参加前に同意を得ました(SESLHD-HREC参照番号:17/039 HREC/17/POWH/91)。
改良されたポータブルシステム研究の使用に関する承認は、ベルベリー人間研究倫理委員会(HREC)から取得されました。すべての対照被験者に詳細な参加者情報シートを提供し、参加前に同意を得た(HREC参照番号:1802VEPEEG-CER)。
1. 参加者の選考と同意
- 競技シーズンの開始前に、単一のラグビーユニオンクラブから参加者を募集する。参加者は、アマチュアラグビーユニオンチームのメンバーである健康で英語を母国語とする男性成人(18歳以上)でなければなりません(図1)。
- 視覚刺激のちらつきの性質上、参加者が次の厳格な除外基準のいずれかを満たさないようにしてください:てんかんの診断または症状、既存および/または以前の脳損傷、または法的失明。
- スポーツフィールドでの怪我後の症状を、関連する研究研究者に情報を転送する医療従事者に正直に報告するよう参加者に通知します。参加者は、研究への参加にはシーズン中に少なくとも2回のSSVEPテストセッションが必要であり、脳震盪性傷害の場合にさらなるテストが行われる可能性があることを理解しなければなりません。
2. 調査SSVEP機器のセットアップ
- 充電式液晶ディスプレイ(LCD)スマートフォンをバーチャルリアリティ(VR)フレームに取り付けます(図2A、 材料表を参照)。
- 15 Hz の周波数で交互に並ぶ一連の白黒スクリーンで構成される.mp4ビデオ ファイルを生成し、合計 30 秒間処理します。ビデオフレームの中央に乱数(視覚角度1.5°で画面の2%未満を占める)を配置して、参加者が刺激中に中央に焦点を合わせるようにします。持続的な注意を促すために、数字が5秒間隔で変更されていることを確認します(図2B)。
- 作成したビデオファイルをスマートフォンにアップロードし、SSVEPシステムの視覚刺激として機能する完全な明るさ(最小〜490ニット)で表示します。
- プライマリEEG記録デバイスとして使用されるワイヤレス14チャンネルEEGヘッドセットを充電します(図3A)。
- 付属のユニバーサルUSBレシーバー(ドングル)を介してヘッドセットを近くのコンピューターにペアリングします。ドングルをコンピュータのUSBポートに挿入し、電源ボタンでヘッドセットの電源を入れ、コンピュータで14チャンネルEEGヘッドセットソフトウェアを開き、表示されたヘッドセットIDの横にあるアプリケーションの [接続 ]ボタンを選択します( 資料表を参照)。
- 付属のフェルトセンサーを生理食塩水で完全に飽和させます。
- 飽和センサーをヘッドセットの黒いプラスチック製のアームに取り付け、「カチッ」と音がしてセンサーが安全になるまで、各センサーを時計回りに慎重に回します。
3. 参加者のベースライン評価
- 審査の質問に合格したすべての参加者から、ラグビーシーズンが始まる前に研究に参加する同意を得る。
- 同意した参加者に、オフィスルームなどの自然光が差し込む静かな環境の中で椅子に座るように依頼する。参加者が着席している間に、ヘッドバンドを頭のてっぺんから下にスライドさせて、14チャンネルEEGヘッドセットを参加者の頭に合わせます。国際10-20システム(図3B)28,29に従って電極を配置します。ヘッドセットの 2 つのフロント センサーを、参加者の生え際に合わせて、または参加者の眉毛のおよそ 3 本の指の幅に合わせて配置します。
注:参加者の髪の毛が厚い場合は、髪の毛の下にセンサーを操作し、生理食塩水を追加します。被験者が静止した着座位置から移動した場合、または評価中に環境設定が変化した場合、アーチファクト(図4)が発生する可能性があり、SSVEPデータを解析用に照合(破棄)しないでください。- 後頭部電極(O1およびO2)を主記録電極として使用し、頭頂電極(P3およびP4)をグランドおよびコモンモード(参照)電極として使用します(図3B)。
- テストに進む前に、接触品質のソフトウェアを利用して、ヘッドセットと参加者のヘッドの間に適切な接続があることを確認してください。緑色の電極は、メーカーの基準に従って良好な接触品質(<20kΩ)を示します。
- 目的のすべての電極チャネル(O1、O2)で良好な接触品質が達成されない場合は、センサーを生理食塩水で再飽和させ、位置決めを再確認して、センサーが頭皮に対してできるだけ平らであることを確認します。
メモ:頭皮と電極間の電気的接続を確保し、潜在的なアーチファクトを最小限に抑えるには、良好な接触品質を得る必要があります(図4)。
- 目的のすべての電極チャネル(O1、O2)で良好な接触品質が達成されない場合は、センサーを生理食塩水で再飽和させ、位置決めを再確認して、センサーが頭皮に対してできるだけ平らであることを確認します。
- 参加者に、VRフレーム内のテストスマートフォンを目まで持ち、顔と鼻橋に当てて、両目が完全に覆われていることを確認するように依頼します。
- 焦点番号が画面の中央に表示されていること、およびフレームが環境光を遮断していることを確認する。
- 参加者の顔からVRフレームを取り外し、視覚刺激ビデオが開始されることを通知します。次に、VRフレームを返して、ステップ3.4.1と同じ位置に再適用します。
- 参加者に、焦点番号に集中し、SSVEPテストの間は静かで静かにしておくべきであることを思い出させる。
- スマートフォン画面の 再生 ボタンを押して視覚刺激ビデオを開始し、参加者にVRフレームを顔の上に置きます(ステップ3.4を参照)。
- 参加者に、手順3.4に従ってVRフレームが正しい位置にあることを確認するように依頼する。参加者の確認後、同時に30秒間のカウントダウンストップウォッチを開始し、14チャンネルEEGヘッドセットソフトウェアの [録音開始 ]ボタンを選択してEEGヘッドセットで録音を開始します。
- 30秒の期間が終わったら、14チャンネルEEGヘッドセットソフトウェアの停止ボタン を選択して、脳 波記録を停止します。
- 参加者の目からVRフレームを取り外し、最初のSSVEP評価が完了したことを知らせます。
- 記録されたSSVEP応答をローカルアカウントに保存するには、14チャンネルEEGヘッドセットソフトウェアの [保存されたセッション ]ボタンをクリックします。保存したファイルを欧州データ形式 (EDF) ファイルとして、優先ストレージ ハードウェア デバイスにエクスポートします。
メモ: EDFファイルには、参加者のイニシャル、日付、時刻、および実施されたテストの種類(ベースライン、怪我後、または回復)のラベルを付け、識別と保存を目的としてください。 - SSVEP 評価プロトコル (ステップ 3.2 から 3.9) をステップ 3.9 に続いて素早く連続して繰り返します。
注:これは、2つの評価からの2番目の読み取りとして行われ、一貫してより明確なEEG測定値が得られます。 - SSVEP評価のペアが正常に完了したら、参加者にVRフレームを目から取り外し、参加者の頭からヘッドセットを慎重に取り外すように指示します。
- ヘッドセットから電極センサーを取り外し、次回の使用まで適切な保護ケースに保管して、生理食塩水がヘッドセットの電極を腐食させないようにします。
- ヘッドセットとスマートフォン+フレームの両方をイソプロピルアルコール(70%)で拭いてから、次の使用まで両方の機器をそれぞれのケースに保管してください。
- 参加者に、頭痛やめまいの存在を含む刺激に対する異常な反応を経験したかどうかを尋ねます。回答を試験ログに記録します。
- 参加者に、ベースラインテストを完了し、シーズンの次の競技試合から72時間以内に再度評価されることを通知します。
4. 傷害後の評価
- 脳震盪の疑いのあるフィールドへの影響が記録され、チームドクターまたはプレーヤーのいずれかによって研究研究者に報告されるようにします。
- セクション3で詳述されているSSVEPプロトコルを使用して、インシデントから72時間以内にステップ4.1で報告されたプレイヤーの怪我後の評価を取得します。
- すべての選手が怪我から回復し、フルコンタクトのトレーニングや試合に戻ることができる時期を判断するために、チームドクター(セクション5を参照)によって評価される怪我後のSSVEP評価を受けるようにします。チームドクターの診断が治験目的で記録されていることを確認します。
- チームドクターが回復したと判断したら、SSVEPシステムで再評価されることをプレイヤーに通知します。
5. 臨床脳震盪評価
- 脳震盪を引き起こす可能性のある影響から72時間以内に、すべてのプレイヤーがチームドクターによって評価されるようにします。
注:チームドクターは、スポーツ関連の怪我を評価する臨床経験を持ち、関連するスポーツの運営組織によって承認された認可された開業医でなければなりません。- スポーツ脳震盪評価ツール(SCAT)の要素を使用して選手の意識状態、および脳震盪に関連する一般的な徴候および症状のいずれかの存在を判断することに加えて、チームドクターに神経学的検査を行わせる15。
注:評価は、プレイヤーの典型的な態度と行動を参考にして行われます。
- スポーツ脳震盪評価ツール(SCAT)の要素を使用して選手の意識状態、および脳震盪に関連する一般的な徴候および症状のいずれかの存在を判断することに加えて、チームドクターに神経学的検査を行わせる15。
- オーストラリアラグビー協会の卒業復帰(GRTP)ガイドライン30によると、脳震盪の診断から48時間以内に同じチームドクターによって選手が再評価され、プレー30に戻ることが許可されるまで練習セッションごとに1回再評価されることを確認してください。
- 選手がフルコンタクトの練習や試合に戻る前に、チームの医師と最終評価を受けて臨床的に回復したかどうかを判断してください。医師は、SCAT検査の改善および関連する症状および任意の非定型行動の減少に基づいてプレイヤーの傷害状態を決定する。
注:この最終評価は、GRTPに従って、傷害後最低12日後に行われる予定です。- 治験目的で、プレイヤーの傷害状態(脳震盪または回復)に関する臨床医の判断を記録します。
6. 回復評価
- ステップ 5.3 で回復したと見なされたプレイヤーを、セクション 3 で詳述されている SSVEP プロトコルを使用して評価し、回復 SSVEP 応答を取得します。
7. 信頼性評価のテスト-再テスト
- 怪我をしていないすべての参加者が、セクション3で詳述されているのと同じ設定のポータブルSSVEPシステムを使用して、シーズンの各競技試合後72時間以内に再テストされ、システムのテスト/再テストの信頼性に関するデータを取得するようにします。
8. SSVEP データ処理
- セクション 3 ~ 7 から記録されたすべての EDF データ ファイルをインポートして処理できる数値計算スクリプトを生成します ( 材料表を参照)。
- 14チャンネルEEGヘッドセットで得られた生のSSVEP電圧に5Hzと40Hzのコーナー周波数を持つバターワースバンドパスフィルタを適用して、低周波ノイズ、DC電圧オフセット、および主電源31の影響を最小限に抑えます。
- フィルタリングされたSSVEP値に高速フーリエ変換(FFT)を適用して、周波数領域32内のデータを解析する。
- 電極チャンネルO1とO2からのFFT値を正規化して、パワースペクトル密度としてグラフィカルにプロットするための値の単一の配列を生成します(図5)。
- EEGデータが処理されたら、15Hzでの大きさを5〜40Hzの平均振幅で割ることによって、各データファイルの信号対雑音比(SNR)を計算します。SNR の式は次のとおりです。
ここで、
振幅15Hz = 15Hz 周波数帯域の電圧(μV)
振幅平均 = 5 ~ 40 Hz (μV) のすべての周波数帯域の平均電圧 - すべてのデータ(生のEDF、処理されたEDF、SNR値、コメント、およびプレーヤーの怪我の状態の日付)が、調査目的で適切にラベル付けされたフォルダに保存されていることを確認します。
9. 統計解析
- プレーヤーのデータファイルをカンマ区切り値(CSV)シートにカテゴリ別に結合します(ベースライン、脳震盪、および回復の読み取り用に別々の列)。
- 各 SSVEP 読み取り値の SNR を使用して、異なるグループを比較します。すべての要約データを、25番目 から 75番目の 四分位間範囲 (IQR) の中央値、統計的有意水準アルファ (α) = 0.05 セット、およびすべての分散水準を標準偏差 (± S.D.) で表します。統計分析ソフトウェア( 材料表を参照)を使用して、グループのSNR値を分析します。
- Shapiro-Wilk検定を使用して、すべてのプレイヤーのSNR値の正規性を評価します。
- 3つのタイプの評価をすべて経験したプレイヤーについて、ペアの t検定(ベースライン脳震盪測定値、脳震盪回復測定値、ベースライン 回復 測定値間)を使用して、3つの評価グループすべての平均SNRを比較します。ボンフェローニ補正を利用して多重比較補正が適用されていることを確認します。
- コーエンのD32を利用して、t検定比較の効果サイズを計算します。
- モデル3、タイプkクラス内相関係数(ICC)を使用してテスト-再テストの信頼性を推定する。ICC(3,k)は、ベースラインとシーズンを通して繰り返されるテストとの間の一致を調べるために、95%信頼区間(CI)を有する。
注: 実験はここで一時停止し、後で再開できます。
10. ポータブルSSVEPシステムセットアップの改善
メモ:このセクションで説明するシステムは、参加者の快適性を向上させながら、より効率的な測定プロセスを可能にするように設計されたオールインワンセットアップです。セクション2-6で説明したセットアップは、概念実証システムを生成するためにマージされた多数の機器で構成される単純なプロトタイプであることに注意してください。このシステムを使用したプロトコル回路図を 図6に示します。
- セクション2で説明したシステムと同等の視覚刺激と電極構成を含むポータブルSSVEPシステムを入手します( 図7Aを参照)。
- システムの SSVEP アプリケーションを iOS アプリストアから iOS で動作するデバイスにダウンロードします ( 資料表を参照)。
- 調査チームが、ポータブルSSVEPシステムおよび付属のiOSアプリケーションの使用説明書(IFU)に精通していることを確認し、SSVEPデバイスのアクティブ化とEEG測定値のローカルストレージを可能にします。
- ポータブルSSVEPシステムの使用説明書(IFU)に従って、iOSアプリケーションでサブジェクトアカウントを生成します。アプリを開き、[ 件名] タブを選択してから、[ 新しい件名の追加] ボタンを押します。
11. リファレンスEEGシステムのセットアップ
- 視覚刺激成分を含まないモジュラー電極構成の検証済みの臨床グレードのEEGアンプユニットを入手してください(図7C)。
- 治験チームが、臨床脳波システムの使用説明書(IFU)および付属の臨床神経学ソフトウェアアプリケーション( 材料表を参照)に精通していることを確認し、アンプの活性化と脳波測定値のローカル保存を可能にします。
12. 改良されたポータブルSSVEPシステムの脳波検証
- 健康で英語を話す成人参加者を、セクション1で詳述したのと同じ除外基準を使用して募集する。SSVEPシステム検証研究のためにこれらの参加者に同意する。
- 参加者に 01 ~ 20 の番号をランダムに割り当てます。最初にポータブルSSVEPシステムで奇数番号が割り当てられた参加者を評価し、次に臨床脳波システムで参加者を評価します(ステップ12.3-12.16)。偶数番号が割り当てられた参加者の場合も同様です(ステップ12.10-12.14、次に12.3-12.9、12.15-12.16)。
- 使用説明書 (IFU) に従って SSVEP ヘッドセットをセットアップします。ヘッドセットを完全に充電し、SSVEPiOS アプリケーションとペアリングするBluetoothがあります。付属のポリウレタンセンサーシリンダーを電極チャンネルに挿入し、通常の生理食塩水を使用して飽和させます。
- SSVEPヘッドセットをシステムのIFUに従って参加者の頭の上に置き、リアハウジングユニットの下部を参加者のイニオンの真上に置き、フロントバイザーハウジングを目と鼻ブリッジの上にしっかりと配置し、ヘッドセットを弾性調整ストラップで締め付けてバックルを固定します。
- テストする前に、SSVEP iOS アプリケーションのインピーダンスインジケータをチェックして、ヘッドセットと参加者のヘッドの間に適切な接続があることを確認します。関連するアプリケーションの緑色の視覚インジケータ(インピーダンス<15kΩ)は、メーカーの基準に従って良好な接触品質を示します。
- 目的のすべての電極チャネルで良好な接触品質が達成されない場合は、通常の生理食塩水でセンサーを再飽和させ、位置決めを再確認して、センサーが頭皮に対してできるだけ平らであることを確認します。
メモ:頭皮と電極間の電気的接続を確保し、潜在的なアーチファクトを最小限に抑えるには、良好な接触品質を得る必要があります(図4)。 - 参加者が快適であることを確認します。座って明かりを見つめている間,じっとしていて,落ち着いて,静かにしていて,必要なときだけまばたきをするように指示します。被験者が静止した着座位置から移動した場合、または評価中に環境設定が変化した場合、アーチファクト(図4)が発生する可能性があり、SSVEPデータを解析用に照合(破棄)しないでください。
- 目的のすべての電極チャネルで良好な接触品質が達成されない場合は、通常の生理食塩水でセンサーを再飽和させ、位置決めを再確認して、センサーが頭皮に対してできるだけ平らであることを確認します。
- iOSアプリケーションの[ テストの開始] ボタンを押して、視覚刺激を開始します。プロンプトが表示されたら、[ 続行] ボタンを押して、テストの次の段階に進みます。視覚刺激は、システムのIFUに従って2回実行され、予備的および一次的なSSVEP測定値を得る。
- SSVEP 評価が完了したら、SSVEP ヘッドセットを参加者の頭部から取り外します。被験者に最低30秒間リラックスさせます。
- テスト/再テストの信頼性値を取得するには、休止期間の終了後に SSVEP システムで SSVEP 評価プロトコルを繰り返します (ステップ 12.3 ~ 12.7)。
- 次の脳波システムに進む前に、参加者に5分間休ませます。
- IFUに従って臨床脳波アンプをセットアップします:付属のUSBドングルと電源ケーブルを介してコンピュータに接続してアンプの電源を入れ、5つの電極リード線を01、O2、OZ、P1、およびP2のそれぞれ10〜20のEEG位置に接続し、コンピュータ上で臨床神経学EEGソフトウェアを開き、新しい研究を作成します( [記録] タブを介して)。
- 頭皮調製ゲルを参加者の頭部の後頭部領域に塗布し、指で時計回りの動きでゲルをこすって薄い層に広げる。
- 臨床脳波システムのIFUに従って、電極キャップを参加者の頭の上に嵌め込む。導電性ゲルを5つの電極パッチに慎重に清潔な手で塗布します。
- 10-20 EEG位置決め命名法に従って、5つの電極パッチを参加者の頭皮にそれぞれのO1、O2、O3、P1、およびP2の位置に配置します。
- テスト前に、臨床EEGアンプソフトウェアアプリケーションのインピーダンスインジケータをチェックして、ヘッドセットと参加者の頭部が適切に接続されていることを確認してください。<15kΩのインピーダンス値は、EEGアプリケーションで許容できるものと見なされます。
- 目的のすべての電極チャネルで良好な接触品質が達成されない場合は、調製ゲルを再塗布し、位置決めを再確認して、センサーが頭皮に対して可能な限り平らであることを確認します。
- ステップ12.4に従ってSSVEP装置のフロントバイザーを目の上にかざすよう参加者に指示し、調査助手が後部ハウジングユニットを頭皮から遠ざけるように指示する。
- セクション 12.5.2 で概説されている手順を繰り返します。
- 臨床神経学ソフトウェアの左上隅にある赤い Record シンボルを押して、脳波アンプの記録を開始します。録音の開始直後に、iOS アプリケーションの [ テストの開始] ボタンを押して視覚刺激を開始します。
- 赤い Record シンボルを押して、SSVEP システムが最初の刺激ラウンドを停止し、コマンドの続行を待っていることを示すプロンプトが表示されたら、EEG アンプの記録を停止します。
- 臨床神経学ソフトウェアの赤い記録記号を押して脳波増幅器 の記録 を再開し、SSVEP iOSアプリの [続行] ボタンを選択して視覚刺激を続行します。
- 赤いRecordシンボルを押して、SSVEPシステムが視覚刺激を停止したことを促したら、EEGアンプの記録を停止します。
- 被験者に最低30秒間リラックスさせます。テスト再テストの信頼性値を得るために、休息期間の終了後に臨床脳波システムでSSVEP評価プロトコルを繰り返します(ステップ12.10〜12.13)(2つの合計テスト:テスト1/テスト2)。
- SSVEP評価のペアが正常に完了したら、参加者にフロントバイザーを目から取り外し、電極パッチを頭皮から慎重に取り外すように指示します。
- SSVEPヘッドセットと電極リード線の両方をイソプロピルアルコール(70%)ワイプで拭いてから、次回の使用まで両方の機器をそれぞれのケースに保管してください。
- 参加者に、頭痛やめまいの存在を含む刺激に対する異常な反応を経験したかどうかを尋ねます。試験への参加を完了したことを通知する前に、回答を試験ログに記録します。
13. ポータブルSSVEPシステムの信頼性計算のテスト/再テスト
- モバイル管理ユーティリティソフトウェアを使用して、両方のSSVEPプライマリテストセットの生のSSVEP値をiOSデバイスからダウンロードします。結果はカンマ区切り値 (CSV) ファイルとして出力されます。識別と保存の目的で、参加者のフルネーム、実施されたテストの種類、および日付を使用してファイルを保存します。
- セクション 8 で生成された数値計算スクリプトを変更して、Oz 記録チャネルからの SSVEP 値の追加配列を含む CSV ファイルを処理します。
- 処理されたデータファイルをCSVシートの配列にまとめ、 テスト1 または テスト2のそれぞれのカテゴリに従って値を要約します。
- 各SSVEP読み取り値のSNRを使用して、異なるテストの結果を比較します。モデル2、タイプ1のクラス間相関係数ICC(2,1)と95%信頼区間(CI)、有意水準を0.05に設定したα使用して、検定/再検定の信頼性を推定します。
14. 臨床脳波システムのテスト-再テスト計算
- 両方の脳波増幅器一次テストセットの生のSSVEP値を臨床神経学ソフトウェアからダウンロードします。結果はCSVファイルとして出力されます。識別と保存の目的で、サブジェクト名と実施したテストの種類を使用してファイルを保存します。
- ダウンロードした脳波増幅器のCSVファイルを使用してセクション13.2-13.4を繰り返し、臨床脳波システムのテスト-再テストの信頼性を推定します。
15. ポータブルSSVEPおよび臨床脳波システムの契約計算
- SSVEPが脳波システムによって検出されたかどうかを判断するための基準を概説する(推奨基準:5〜35Hzの間の主信号ピークが15〜0.1Hzであ±、およびメインピークのZスコアが5を超える場合)。
- セクション 12 および 13 で生成された数値計算スクリプトを変更して、処理される SSVEP ファイルのピーク周波数と Z スコアをさらに決定します。Zスコアの式は、である。
どこ：
振幅ピーク =ピーク 周波数(μV)の電圧
振幅平均 = 5~35Hz(μV)のすべての周波数帯域の平均電圧 - 概説された基準を使用してSSVEPを正常に検出する脳波システムの能力の二項分析を行い、二項確率(%)を2つのシステム間の一致と見なします。各システムの予備記録と一次記録は、それぞれ 2 つのデータセットにわたる一致レベルを計算するために使用されます。
- 各SSVEP読み取り値のZスコアを使用して、異なるEEGシステムを比較します。すべての要約データを、25 番目から 75番目の 四分位範囲 ( IQR) の中央値として表します。統計分析ソフトウェアを使用して、システムが処理した値を統計的に分析します。
- セクション12および13で生成された数値計算スクリプトを変更して、SSVEPおよび臨床脳波システムによって生成されたすべての(予備的および一次的な)SSVEPファイルの0〜25Hzの範囲のデータポイントをもたらした各周波数の平均SNRをさらに決定します。
- 両システムのパワースペクトル密度(PSD)を作成し、0~25Hzの間で平均SNR結果を正規化します( 代表的な結果を参照)。
メモ: EEG システムごとに個別のデータ系列を作成し、同じ PSD にオーバーレイします。
- 両システムのパワースペクトル密度(PSD)を作成し、0~25Hzの間で平均SNR結果を正規化します( 代表的な結果を参照)。
Representative Results
合計65人の男性ラグビー選手(20.9±2.3歳)がこの研究の最初のセクションに首尾よく登録され、すべての選手がベースラインSSVEP評価を受けました(図1)。ラグビーシーズンを通して、12人の参加者がプレーフィールドで脳震盪性傷害の可能性があり、怪我後の評価のためにSSVEPシステムで再評価されました。チームドクターは、臨床脳震盪評価プロトコルを使用してこれらの選手を評価し、これらの12人の参加者を脳震盪と診断した。12人全員が、GRTP期間30の12日以内に医師によって回復したとみなされた。選手が回復したという医師の判断の後、8人の選手が追加のSSVEPに利用可能でした。回復評価として分類されます。脳震盪を起こしなかった22人の選手は、シーズン中に研究の信頼性のために再テストされました。再検査を受けなかった残りの参加者は、フォローアップのために失われた。SSVEP刺激後の有害事象は、研究期間中報告されなかった。ラグビー選手に使用されたSSVEPシステムの信頼性は、95%信頼区間を有する高いクラス内相関係数(ICC)によって確認され、再試験された負傷していない選手(n = 22)については0.91(0.79〜0.96)、再試験された回復した選手33については0.96(0.74〜0.99)に等しい。この計算では、良好な接触品質が達成されたデータセットが考慮されました。これは、参加者の毛髪や皮膚の電位が脳波システムのきれいなSSVEPを得る能力に影響を与えた数回の結果です(図4)。
この調査システムを介して産生されたSSVEPが脳震盪のバイオマーカーとして利用できるかどうかを判断するために、処理された結果のSNR値をベースライン(対照)、脳震盪、および比較のための回復評価にグループ化した(図1)。全体として、すべての対照プレイヤー(n = 65)のSNRの中央値は4.80[IQR:4.07-5.68]であり、対照群の平均処理脳波は、それぞれの周波数スペクトル33において明確な15Hzピーク信号を示した。同じ視覚刺激によって生成されたが、異なるEEGシステムで記録された別の対照群(n = 20;健康な一般集団)の平均SSVEP値をパワースペクトル密度としてグラフ化した場合にも、同様の応答が見られた(図5)。この中央値分布とパワースペクトル密度により、怪我をしていない(脳震盪していない)プレイヤーのSSVEP応答を調査セットアップに対して明確に制御することができました(図2、 図3)。脳震盪を起こした全選手(n = 12)とSSVEP評価が利用可能な回復選手(n = 8)のSNRの中央値は、それぞれ2.00 [IQR: 1.40-2.32]と4.82 [IQR: 4.13-5.18]で、33であった。パイロット研究では、対照(ベースライン)プレイヤーと脳震盪プレイヤーの間でSNR値の中央値(+4.03;p<0.0001)に有意差が認められた。脳震盪はSSVEPシグナルに大きな影響を与えた(Cohens, d = 4.03)。興味深いことに、回復したプレイヤー群は、有意性(α <0.05)でわずかなSNR分散(+0.02;p = 0.0495)を持ち、対照群(Cohens、 d = 0.17)と比較して些細な効果があることがわかりました33。これは、GRTPガイドライン30に従って、完全な回復後、SSVEP値が脳震盪を起こしたプレイヤーと怪我をしていないプレイヤーと同等であることを示しています。さらに、SNRの中央値は、脳震盪を起こしたプレイヤーのグループと回復したプレイヤーのグループとの間で有意に異なる(+2.80;p = 0.0002)ことが見られ、回復期間が脳震盪したプレイヤーのSSVEP信号に大きな影響を与えたことが実証された(Cohens、 d = 3.60)33。
SNR分散の中央値で同様の応答は、3つの形式のテスト(n = 8;ベースライン、脳震盪、回復)をすべて受けたプレイヤーのみを比較した場合にも見られました。ベースライン対脳震盪(-2.34;p = 0.0001)と脳震盪対回復(-2.72;p = 0.0002)の間に有意な変化が観察されたが、ベースライン対回復(+0.28;p = 0.0495)の間にはわずかな差異が見られ、これらのグループ間では些細な影響(Cohens d = 0.17)が見られた。これらの知見は、3つの形式のテストをすべて受けたプレイヤーの平均SNR値を取得すると強化されました。これらの選手のベースライン、脳震盪、回復の測定値の平均SNRは、それぞれ4.45、2.20、および4.33でした。ベースライン対脳震盪群(p = 0.0001)および脳震盪対回復群(p = 0.0002)の間に有意差が見られた。回復期群とベースライン群の間の平均SNR値の変動は小さかったが、有意性にすぎなかった(p = 0.0495)。全体として、刺激に対する反応は、ベースライン評価と比較して、脳震盪を起こした選手では低かった。監視された回復期間の後、これらのプレイヤーは最終的に最初の(ベースライン)評価33と同等の応答を生成することができた。これは、スポーツ関連の脳震盪が、最低12日間SSVEPを生成する個人の能力に影響を与えることを示しています。個人のSSVEP応答がこのプロトコル(図1)と同様の方法で日常的に測定された場合:ベースライン、傷害後、回復、医療従事者はSSVEPを脳震盪のバイオマーカーとして潜在的に利用することができます。
オールインワンポータブルSSVEPシステム(図7A)を、ラグビーのスポーツに特定されていない一般集団からの(n=20)健常対照対象に使用した。これは、異なる電極系(図7B)と初期のSSVEPセットアップからわずかに変化した刺激を有する治験デバイスであるため、SNRの中央値および平均値は比較に有効ではなかった(表1)。同様に、参加者は脳震盪の発生率の高いスポーツに従事しなかったため、SSVEPシステムは脳震盪のSSVEPマーカーとして評価されなかった。代わりに、大規模な試験で将来使用するためにシステムを検証するために、テストと再テストの信頼性調査が実施されました(図6)。SSVEPシステムは0.81(CI:0.59-0.92)の高い相関を返し、デバイスがSSVEPを取得する際に信頼性があることを示しています(表2)。さらに、システムの脳波技術の精度は、従来の臨床グレードの脳波システムに対する合意研究によって検証され(図7C)、同様のICC値0.83(CI:0.63-0.93)が返されました(表2)。テストの最初の繰り返し(予備的)の結果、18/20人の参加者が両方のシステムにわたって95%の二項確率で一致を示しました。ある参加者では、SSVEPシステムが所望の15Hz信号応答よりも顕著なアルファリズムを検出したため、デバイスは一致しませんでした(図8)。他の参加者については、臨床脳波系でSSVEPは同定されなかった(図9)。しかし、2回目の繰り返し(プライマリ)では、20人の参加者全員が2項確率100%の合意を両系で得ていました。SSVEPを生成するための2つのシステムの全体的な精度を 図10に示し、これは、刺激周波数(15Hz)でのみ顕著なSNRを有する両方のシステムを示しています。これにより、ポータブルシステムが、脳波信号の記録に使用される臨床グレードのデバイスと機能的に同等であることが検証されます。SSVEPシステムの携帯性と使いやすさと組み合わせると、大規模なSRCケーススタディなど、臨床現場の外で研究品質のSSVEPをキャプチャするためのさまざまなアプリケーションが開かれます。
図1:SRC-SSVEP研究におけるアスリート参加のフローチャート方法論。 フローチャートは、アマチュアラグビーユニオン選手のSRC-SSVEP研究期間全体にわたる参加者の適格性とグループ割り当てのスクリーニングを詳述しています。SRC;スポーツ関連の脳震盪。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図2:ポータブルSSVEPシステムの視覚刺激コンポーネント 。(A)段ボールVRフレーム内にビデオがロードおよび表示されたLCDスマートフォン。参加者は、VRフレームを顔と鼻橋に当てて、両目がフレームで完全に囲まれていることを確認する必要があります。(B)視覚刺激のイラスト;15 Hzの周波数で白(上の行)と黒い画面(下の行)を交互に並べて作成されたビデオループ。各画面には、VRフレームの左右の視野に揃えられた垂直分割線で区切られた2つのフレームが含まれていました。各フレームは、その中心に数字の形で焦点を含み、5秒間隔で1〜9の範囲内で交互に並んだ。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。液晶;液晶ディスプレイ。VR;バーチャルリアリティ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:ポータブルSSVEPシステムのワイヤレスEEGコンポーネント 。(A)コンピュータに接続された近くの受信機にワイヤレスでデータを送信できる14チャンネルEEGヘッドセット。(B)ヒト脳波研究における電極配置のための国際的な10-20脳波システムに関する14の電極位置の視覚的な地図。SRC-SSVEP研究では、2つの後頭電極(O1およびO2)が記録電極として利用され、2つの頭頂電極がコモンモード減算およびグランド(それぞれP3およびP4)として利用された。脳波;脳波。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。SRC;スポーツ関連の脳震盪。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:SSVEP測定における接触品質の重要性の説明図。(A)非定型生理食塩水が電極に使用されている場合、(B)電極が被験者の毛髪を通して頭皮に接触するように適切に処理されていない、(C)電極が生理食塩水で飽和し、毛髪を通して働いた場合、SSVEPシステムで測定された単一の対照(健康な一般集団)被験者のSSVEP応答は、15Hzの設定された刺激周波数および250Hzのサンプリングレートを有する。生理食塩水は、患者の頭部と電極間の電気的接続を確保するために不可欠です。それがなければ、振幅の大きい皮膚電位アーチファクトが高調波的に観察される。毛髪は抵抗器として機能し、患者の頭皮と電極との間の電気的接続性を最小限に抑え、したがってノイズの増加をもたらす。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:脳波検証研究における20人の対照被験者の平均SSVEP応答。 対照(健常一般集団)被験者(n = 20)のSSVEP応答は、SSVEPシステムを用いて測定され、設定された刺激周波数は15Hz、サンプリングレートは250Hzであった。母集団の平均SSVEPはパワースペクトル密度として示され、y軸はマイクロボルト(uV)単位で信号振幅を表す。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図6:2つのシステム間の脳波検証研究のフローチャート方法論。 フローチャートは、確立された脳波参照システム(それぞれSSVEPおよび臨床脳波システム)に対してポータブルEEGシステムを検証する方法論を詳述しています。対照(健康な一般集団)の参加者をスクリーニングし、テスト順序とテスト再テストの方法で各システムで実施された2つのテストをランダムに割り当てます。脳波;脳波。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図7:2つのシステム間の脳波検証研究のための電極概要 。 (A)改良されたポータブルSSVEPシステム。(B)国際規格10-20脳波修正組み合わせ命名法システム。(c)確立された臨床脳波参照系。SSVEPシステムは、2つの部分電極チャネル(P1とP2)をそれぞれリファレンスとバイアスとして利用しながら、3つの後頭電極チャネル(O1、O2、およびOz)を介してEEG信号を測定します。臨床脳波システムは、比較のためにSSVEPシステムと同じO1、O2、Oz、P1、P2配置に手動で配置することができる40チャンネルアンプを介して脳波信号の測定を可能にします。脳波;脳波。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図8:2つのEEGシステムによって測定された単一の対照参加者(参加者09)のSSVEP応答のパワースペクトル密度。(B)臨床脳波システム。両方の測定値は、(SSVEPシステムからの)同じ視覚刺激(密閉されたケース内の白色LEDの15Hzのフリック刺激)を使用して得られた。両方のシステムで顕著な15Hzの応答が見られるにもかかわらず、SSVEPシステムの絶対最高ピークは、刺激された15Hzではなく10.5Hzであったことに注意してください。システムが刺激周波数をピーク(一次)振幅として検出しなければならない合意研究の基準に従って、これは失敗として構成される。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。LED;発光ダイオード。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図9:2つのEEGシステムによって測定された単一の対照(健康な一般集団)参加者(参加者19)のSSVEP応答のパワースペクトル密度。(B)臨床脳波システム。両方の測定値は、同じ視覚刺激(SSVEPシステムから)を用いて得られた。密閉されたケース内の白色LEDの15Hzの点滅刺激。臨床脳波システムは、同様の大きさのノイズに囲まれているため、顕著な15Hz応答がないことに注意してください。システムが5より大きいZスコアの応答を生成しなければならない合意研究の基準に従って、これは失敗とみなされます。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。LED;発光ダイオード。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図10:対照参加者のSSVEPを測定する2つのEEGシステム間の一致の視覚的な説明図。(n=20)対照(健常一般集団)被験者の平均SSVEP応答を、関心のある周波数範囲に対するSNRとしてプロットした;SSVEP(緑)および臨床EEG(赤)システムでの測定のための5-25 Hz。各対照被験者は、EEG検証研究において、各システムに対して2つのデータセットを生成し、各システムに対して合計40個のSSVEPデータセットを生成した。2つのシステムの図示された応答を重ね合わせて、同じ視覚刺激(白色LEDが15Hzで30秒間ちらつく)によって刺激された場合にSSVEP測定でどの程度一致しているかを視覚化しました。周波数範囲は、一次刺激応答のみに焦点を当てるように、予測される30Hz高調波未満にフィルタリングされます。脳波;脳波。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。SNR;信号対雑音比。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 脳波システム | 最低限 | IQR 25 | 中央値 | IQR 75 | 最大 | 意味する | 標準開発 |
| ノースカロライナ州 1 | 4.402 | 8.187 | 9.829 | 13.667 | 20.703 | 11.148 | 4.577 |
| ノースカロライナ州 2 | 4.509 | 9.123 | 11.055 | 12.586 | 23.225 | 11.615 | 4.213 |
| グラーエル1 | 4.335 | 7.99 | 10.171 | 13.238 | 21.758 | 11.36 | 4.897 |
| グレエル2 | 4.979 | 9.002 | 10.619 | 12.667 | 20.177 | 11.22 | 3.865 |
表1:2つのEEGシステムによって測定された対照参加者のSSVEP統計的要約。 2つのSSVEP測定を、ポータブルEEGシステム、および確立された臨床EEGシステムを用いて、(n=20)対照(健康な一般集団)対象に対して実施した。SNR 値は SSVEP から計算されました(15 Hz がプライマリ信号として使用されます)。統計は、最小値、最大値、25番目および75番目の 四分位間範囲 (IQR)、中央値、平均、および標準偏差(標準偏差)を含む、各測定データセットについて計算された。脳波;脳波。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。
| 脳波システム | 群 | N | ICC (95% CI) | テスト間の平均時間 (分) |
| ヌロチェク | コントロール | 20 | 0.81 (0.59-0.92) | 0.5 |
| グレエル | コントロール | 20 | 0.83 (0.63-0.93) | 0.5 |
表2:ポータブルSSVEPシステムおよび臨床脳波システムのテスト/再テストの信頼性。 統合されたSSVEPおよび臨床脳波システムの信頼性を、対照(健常一般集団)個体(n=20)の同じセットを用いて、30秒間隔で実施した2つの試験から95%信頼区間(CI)を有するクラス間相関係数(ICC)に基づいて計算した。ICC (2,1).SSVEPテストのSNR値(15Hzをプライマリ信号として取得)がICC計算の対象パラメータとして使用されました。脳波;脳波。SSVEP;定常状態の視覚的誘発電位。
Discussion
これは、脳震盪の3つの段階で健康な男性アマチュアルビーユニオンプレーヤーのSSVEP応答の違いを特定するプロトコルを開発した最初の研究です。傷害前(ベースライン)、脳震盪、および回復した(図1)。この方法には、競争の激しいシーズン中に治験中のSSVEP設定で定期的に評価された65人の参加者の募集とスクリーニングが含まれていました。SSVEPのセットアップは比較的簡単で持ち運びが可能であったため、すべての評価は非臨床環境で実施され、ポイントオブケア脳震盪評価としての潜在的な使用が実証されました。この研究は、診断された脳震盪後にSSVEPを生成する個人の能力が減弱することを首尾よく実証した。脳震盪の抑うつ的影響は、SSVEP値が各個人の脳震盪前のレベルに戻ったときに見られるように、定義された回復期間の後に減少することが見られた。参加者群間の統計解析は、SSVEP減衰効果に有意性を示した。脳震盪を受けていない参加者における高い試験再試験信頼性は、シンプルでより洗練されたポータブルSSVEPシステムにおける電気生理学的バイオマーカーの安定性を強調した(表2)。さらに、SSVEPシステムと従来のEEGアンプの絶対的な一致により、研究品質のEEG信号を取得できる医療援助として使用するための技術が検証されます(図10)。
この研究は、怪我後の参加者のボランティア活動とラグビーシーズン中の評価の繰り返しに依存していたため、この方法にいくつかの物流上の変更を加える必要がありました。ベースラインから再テストまでの推定期間は、参加者のスケジュールに合わせて柔軟に行う必要がありました。これらの措置にもかかわらず、一部の選手は、無関係な怪我や関心の欠如など、さまざまなさまざまな理由でフォローアップに迷いました。これにより、数週間にわたるデバイスの信頼性のために、より包括的な統計計算であるICCが使用されました。SSVEPセットアップに対する有害事象は観察されなかった。プロトコルのわずかな変更を必要とするいくつかの物流上の問題に遭遇しました:特に長い髪や太い髪は、ヘッドセットと参加者の頭皮との間の良好な接触を得るのに面倒であることが判明しました。接触不良はEEG測定値の品質を低下させるため(図4)、長い髪や太い髪の毛を持つ参加者は、センサーが置かれている間、髪をブラッシングして頭の横に持ち上げて保持する必要がありました。この問題のために追加の除外基準が生成され、複雑な髪型(例えば、ドレッドロック)を有する個人がこの研究から除外された。
この論文で以前に概説したように、現在の脳震盪評価ツールは非常に主観的であり、最終的に臨床医が決定的に重要な診断を下す能力を妨げる可能性のあるアスリートによる操作の危険にさらされている34。いくつかのアスリート追跡研究は、磁気共鳴画像法(MRI)やコンピュータ断層撮影法(CT)などの放射線モダリティを使用して、脳震盪のためのより客観的なバイオマーカーを調査しようと試みている。しかしながら、これらの方法は、機能的脳損傷としての脳震盪の定義とは異なる出血などの巨視的構造的傷害に関する情報を提供するにすぎない6,35。この研究の結果は、VEPが機能的バイオマーカー36であることを実証した以前の研究によって支持されており、これは脳震盪の存在下で減弱または遅延される21、37、38。これらの以前のVEP研究方法には、我々の物理的設定と仮説に関して類似点があるが、我々の研究は、VEPに対するSSVEPの使用を通じて文献を拡張している。さらに、プロトコルは、従来のコントロールと脳震盪のケーススタディと比較して、脳震盪の3つの段階でプレイヤーのリアルタイム評価を調査することによって変化します。さらに、この方法は、革新的な脳波システムと従来のEEGシステムを比較して、客観的な電気生理学的測定値を得る際の精度を制限する可能性のある潜在的な非類似性を区別することによって、その調査力を拡張します。したがって、この研究で使用されたプロトコルは、客観的脳震盪バイオマーカーに関する既存の文献にユニークで貴重な追加を提供します。
このプロトコルの全体的な成功にもかかわらず、注意すべきいくつかの制限があります。例えば、即時連続して実施された評価のためのバックグラウンドEEGノイズにおける参加者内変動の程度が小さいことが認められた。この最初の変動性には、2つのプロトコル設計上の制限が間違っている可能性があります:1つ目は、14チャンネルEEGシステムの高忠実度インピーダンスフィードバックの欠如と、被験者の注意力に対する疲労と環境の影響に対する緩い制約です。この参加者内の変動性は、このプロトコルで使用されている他のEEGシステムでは見られませんでしたが、これらの影響をより詳細に調査して、その原因がヘッドセットの設計の結果であり、未確認の自然発生ではないことを確認する価値があります。第二に、ほとんどの参加者は、第1の評価よりも第2の評価後により大きなSSVEPシグナルを有していた(表1)。これは、参加者が評価プロセスに精通し、その結果、刺激の繰り返しの提示中のまばたきや落ち着きのなさの減少など、機器のセットアップに対する行動適応の結果である可能性があります。SSVEPプロトコールに実際に習熟効果があるかどうか、もしそうなら、将来の研究でその発生を減らすためにどのような潜在的な修正を加える必要があるかを判断するには、さらなる研究が必要です。最後に、比較的少数の個体集団(脳震盪発生のリスクが高く、繰り返し検査を受ける意思がある人)のボランティアに広く依存しているため、この研究は65人の参加者の小さなサンプルサイズに限定され、そのうち12人が脳震盪を患ったことに注意することが重要です。このプロトコールの脳震盪評価の頑健性、特にその感度と特異性を評価するためには、より大きなコホートサイズの研究が必要となる。また、このプロトコルが、まだ発達中の人(青年期)から潜在的な認知機能低下(高齢者)まで、脳の発達状態が異なるさまざまな年齢層で再現され、責任が有意に異なるかどうかを描写することも興味深いでしょう。改良されたSSVEPシステムに関して、その比較研究は、従来のEEGシステムと比較して、デバイスの内蔵の限界を強調した。従来のEEGシステムは、一般に、21の電極部位を含むモンタージュの完全な10-20システムを採用しています(図7B)。一方、SSVEPシステムは、視覚野に対応する3つの電極チャネル(O1、O2、およびOz)のみを使用します(図7A)。この能力の低下は、システムがEEGアプリケーションの範囲が狭く、このプロトコル内で得られた電気生理学的データに対して実施できる電位分析を制限することを意味します。
前述のように、このプロトコルの限界を克服し、その結果を一般化できるかどうかを評価するために、より大きなコホートでその強さをテストするには、さらなる研究が必要です。さらに重要なことに、SSVEP減衰における我々の発見の根底にあるメカニズムをよりよく理解するために、さらなる研究が必要である。例えば、脳震盪を起こした参加者に見られるSSVEP応答の変化は、神経機能の障害の表現である可能性が最も高いが、これらが一次(例えば、損傷した白質)現象であるか、二次的(例えば、神経炎症性)現象であるかはまだ確立されていない。この方法の1つの潜在的な将来の応用は、対象に個別化されたニューロンうつ病および脳震盪に関連する回復期間の調査である。この回復期間についてのより深い洞察は、負傷したアスリートをよりよく保護するためにスポーツ復帰(RTP)規則と規制になされた修正を見るかもしれません。この方法はまた、スポーツ分野の傍らで便宜的に行われる脳震盪評価などの非臨床的場面で適用されるポータブルSSVEPシステムの実用性を導入する。これは、脳震盪およびセカンドインパクト症候群の負の生理学的影響に対処するために、医療従事者だけでなく、コーチ、アスリート、およびそれぞれの家族に大きな利益をもたらす可能性を秘めています10,11。この研究で利用されたポータブルSSVEPシステムなどの改良されたSSVEPシステムの生成により、神経生理学およびSRCの分野でより高度な機器および技術的応用が起こり、将来の研究の成功に有益であることが証明される可能性があります。
要約すると、このプロトコルは、接触スポーツ選手における脳震盪の客観的バイオマーカーとしてSSVEPを同定するというその目的において成功したことが証明された。この研究全体は、SSVEPが脳震盪の存在下で有意に減衰し、単純化されたポータブルEEGシステムを介して研究品質レベルで確実に産生され得るという証拠を提供する。したがって、我々は、SSVEPが脳震盪性傷害の評価、特にSRCの副次的評価のための補足的援助として使用され得ることを提案する。より洗練されたプロトコル、高度な技術、および改良された機器を用いたさらなる研究は、この研究に基づいて構築され、脳震盪がアスリートの生活に及ぼす有害な影響と戦うための重要な情報を提供する可能性があります。
Disclosures
著者らは、潜在的な利益相反を宣言し、以下に述べる。
エイドリアンコーエンは、HeadsafeIP Pty Ltdの取締役であり、この分野の技術に関連する特許出願に注目されています。
Dylan MahonyはHeadsafeIPの従業員です。HeadsafeIPは、脳震盪関連技術の研究・開発・商業化を行っています。HeadsafeIP Pty. Ltdは、この研究に関連する製品が成功裏に販売された場合、財政的に利益を得る可能性があります。
ダリルフォンは、Cryptych Pty Ltd.の従業員であり、Cryptych Pty Ltdは、規制要件に関して、そのデバイスの準拠製造に関するコンサルティングサービスをHeadsafeIPに提供しています。
David Putrino、Joseph Herrera、Rebecca Baronは、マウントシナイのIcahn School of Medicineの従業員であり、改良されたSSVEPデバイスのユースケースを調査するスポンサードリサーチに参加しています。
Acknowledgments
最初の実験(調査SSVEP)で使用された機器は、シドニー大学の航空宇宙、機械およびメカトロニクス工学の学校によって提供されました。研究の後半に利用された機器、統合されたSSVEPおよびEEGシステムは、HeadsafeIPによって提供された。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Ag-AgCl Electrodes | Compumedics | 97000153 | Disposable EEG electrode Wires |
| Cardboard VR | 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 |
References
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