Summary
Портативная система, способная измерять стационарные визуальные вызванные потенциалы, была разработана и опробована на 65 любительских регбистах в течение 18 недель для изучения SSVEP в качестве потенциального электрофизиологического биомаркера сотрясения мозга. Базовые показатели игроков измерялись в предсезонке, при этом повторное тестирование на надежность, сотрясение мозга и оценку восстановления проводилось в течение контролируемых периодов времени, соответственно.
Abstract
Портативная система, способная измерять стационарные зрительно-вызванные потенциалы (SSVEP), была разработана для обеспечения объективного, количественного метода тестирования электроэнцефалограммы (ЭЭГ) после травматического события. В этом исследовании портативная система использовалась на 65 здоровых игроках в регби в течение сезона, чтобы определить, является ли SSVEP надежным электрофизиологическим биомаркером сотрясения мозга. Перед соревновательным сезоном все игроки прошли базовую оценку SSVEP. В течение сезона игроки были повторно протестированы в течение 72 часов после матча для проверки надежности теста или оценки после травмы. В случае диагностированного с медицинской точки зрения сотрясения мозга игроки были повторно переоценены после того, как врач посчитал их выздоровевшими. Система SSVEP состояла из смартфона, размещенного в VR-кадре, обеспечивающем стимул мерцания 15 Гц, в то время как беспроводная гарнитура ЭЭГ записывала затылочную активность. Игрокам было приказано смотреть на точку фиксации экрана, оставаясь сидячими и тихими. Электроды были расположены в соответствии с номенклатурой ЭЭГ-позиционирования 10-20, причем O1-O2 был каналом записи, а P1-P2 - ссылками и смещением, соответственно. Все данные ЭЭГ обрабатывались с использованием полосового фильтра Баттерворта, преобразования Фурье и нормализации для преобразования данных для частотного анализа. Ответы игроков SSVEP были количественно определены в соотношении сигнал/шум (SNR), причем 15 Гц были желаемым сигналом, и обобщены в соответствующих исследовательских группах для сравнения. Было отмечено, что игроки с сотрясением мозга имеют значительно более низкий SNR по сравнению с их базовым уровнем; однако после восстановления их SNR существенно не отличалась от исходного уровня. Тест-повторный тест показал высокую надежность устройства для портативной системы. Улучшенная портативная система SSVEP также была проверена на соответствие установленному усилителю ЭЭГ, чтобы гарантировать, что исследовательская конструкция способна получить измерения качества исследований ЭЭГ. Это первое исследование, которое выявило различия в ответах SSVEP у спортсменов-любителей после сотрясения мозга и указывает на потенциал SSVEP в качестве помощи в оценке и лечении сотрясения мозга.
Introduction
Люди в настоящее время хорошо осведомлены о заболеваемости, вызванной черепно-мозговыми травмами в спорте1. Сотрясение мозга, связанное со спортом (SRC), является формой легкой черепно-мозговой травмы (mTBI), которая часто сообщается в контактных видах спорта, таких как футбол, регби и бокс 2,3,4. Биомеханическая трансдукция импульсивной силы в мозг после воздействия на поле приводит к нарушению функции нейронов, что приводит как к немедленным, так и к преходящим симптомам, которые влияют на физическое, когнитивное и эмоциональное состояние спортсмена 1,5. В большинстве случаев эти симптомы подавляются в течение короткого периода времени, при условии, что спортсмен получает соответствующее лечение и не подвергается дальнейшим воздействиям6.
Поскольку SRC наносит ущерб неврологическому здоровью игроков, руководящие органы спорта сталкиваются с проблемой использования точной и своевременной диагностики сотрясения мозга, чтобы обеспечить безопасный протокол возвращения в игру 5,7,8,9. Тем не менее, обнаружение сотрясения мозга может быть исключено спортсменами, которые минимизируют или отрицают симптомы, чтобы избежать диагноза сотрясения мозга, тем самым ускоряя их возвращение к игре. Эти действия могут потенциально увеличить риск синдрома второго удара, состояния, при котором быстрый отек мозга образуется после второй травмы головы во время фазы восстановления после сотрясениямозга 10. Кроме того, из-за отсутствия образования в отношении диагностики сотрясения мозга и переменного характера его физиологического определения, SRC нередко остается незарегистрированным или неправильно диагностированным11. К сожалению, длительные периоды повторных и неправильно управляемых сотрясений мозга могут привести к ряду хронических неврологических нарушений, таких как хроническая травматическая энцефалопатия (ХТЭ), которая тесно связана с SRC 12,13,14.
В целях борьбы с проблемами, связанными с SRC, спортивные организации используют различные инструменты оценки сотрясения мозга. Наиболее часто используемый и доступный инструмент, спортивный инструмент оценки сотрясения мозга (SCAT), представляет собой стандартизированный бумажный тест, который включает в себя физические и когнитивные оценки в сочетании с масштабированным сообщением о симптомах15,16. Тем не менее, предыдущие исследования показали, что отчетность о симптомах является субъективной и ненадежной, путем выявления гендерных различий в группах mTBI и выбросов в контрольной группе17,18. Более продвинутые инструменты, которые используются на профессиональном уровне, такие как Инструмент оценки немедленного после сотрясения мозга (ImPACT), который работает как компьютеризированный нейрокогнитивный тест (CNT), также становятся жертвами манипуляций, поскольку они требуют активного участия и усилий от спортсмена. Несмотря на встроенные проверки на манипуляции в УНТ, исследования показали, что они подвержены воздействию потолка и страдают от низкой надежности19,20. Ограничения этих существующих инструментов оценки в сочетании с более публичным пониманием значительных последствий SRC для здоровья привели к критической необходимости в объективном биомаркере, который может точно и своевременно диагностировать сотрясение мозга.
Одной из областей, которая показала перспективность в определении объективного биомаркера сотрясения мозга, является электрофизиология. Появляются доказательства того, что связанные с событиями потенциалы, в частности зрительные вызванные потенциалы (VEP), нарушаются после сотрясениямозга 21,22. Одно подмножество VEP; стационарные зрительно-вызванные потенциалы (SSVEP) представляют собой объективную, поддающуюся количественной оценке флуктуацию электрической активности, которая происходит в мозге в ответ на определенный набор визуальных стимулов, измеренных с помощью технологии электроэнцефалограммы (ЭЭГ)23,24. SSVEP обеспечивает улучшенную устойчивость к шумовым артефактам и переменное контактное сопротивление обычным измерениям VEP. Кроме того, из-за контролируемой частоты зрительного стимула происходит снижение синхронности между записями ЭЭГ и стимулом, что приводит к более упрощенной электрической модели 25,26. Этот подход был проверен частотами в диапазоне 12-15 Гц, что обеспечивает оптимальную характеристику значимости для стимулов мерцающего типа27. В целом, эти преимущества означают, что SSVEP предлагает более надежные электрофизиологические измерения, которые могут использоваться в неклинических условиях, таких как спортивные площадки и кабинеты врачей. Эта возможность применения в стороне в сочетании с положительными результатами технологии в предыдущей литературе делает ее перспективным кандидатом для идентификации объективного биомаркера для SRC.
Цель этого исследования состояла в том, чтобы изучить потенциальные различия в SSVEP, которые были зарегистрированы у спортсменов, которые были оценены опытным спортивным врачом как здоровые, сотрясенные или восстановленные после недавнего сотрясения мозга. Методология исследования предусматривала, что 65 мужчин-любителей регбийного союза регулярно оценивались с помощью портативной системы SSVEP в течение 18-недельного соревновательного сезона. Игроки должны быть оценены на исходный уровень до начала полноконтактного обучения и повторно оценены в течение 72 часов после соревновательных игр. Игроки, получившие травмы в течение сезона, были оценены врачом команды на сотрясение мозга и повторно оценены с помощью системы SSVEP для показателей после травмы и восстановления. Кроме того, это исследование расширяет свой протокол для проверки способности портативной системы SSVEP получать показания ЭЭГ исследовательского качества, которые потенциально могут помочь в боковой оценке SRC.
Protocol
Одобрение первой части протокола было получено от Комитета по этике исследований человека (HREC) Юго-Восточного сиднейского местного округа здравоохранения (ESLHD). Всем игрокам были предоставлены подробные информационные бюллетени для участников, и до участия было получено согласие (справочный номер SESLHD-HREC: 17/039 HREC/17/POWH/91).
Разрешения на использование улучшенной портативной системы были получены от Комитета по этике исследований человека Bellberry (HREC). Всем контрольным субъектам были предоставлены подробные информационные бюллетени для участников, и до начала участия было получено согласие (справочный номер HREC: 1802VEPEEG-CER).
1. Отбор и согласие участников
- Набирайте участников из одного регбийного клуба до начала соревновательного сезона. Участники должны быть здоровыми, носителями английского языка, взрослыми мужчинами (старше 18 лет), которые являются членами любительской команды регби (рисунок 1).
- Из-за мерцающего характера визуальных стимулов убедитесь, что участники не соответствуют ни одному из следующих строгих критериев исключения: диагноз или симптомы эпилепсии, существующие и / или предыдущие травмы головного мозга или юридическая слепота.
- Сообщите участникам, чтобы они сообщали о любых симптомах после травмы на спортивном поле правдиво практикующему врачу, который передает информацию соответствующему исследователю (исследователям). Участники должны понимать, что участие в исследовании требует как минимум двух сеансов тестирования SSVEP в течение сезона, с потенциалом для дальнейших тестов в случае сотрясающей травмы.
2. Следственная настройка оборудования SSVEP
- Поместите смартфон с заряженным жидкокристаллическим дисплеем (LCD) в кадр виртуальной реальности (VR) (рисунок 2A; см. Таблицу материалов).
- Сгенерируйте .mp4 видеофайл, состоящий из последовательности черно-белых экранов, чередующихся на частоте 15 Гц, в общей сложности 30 с. Поместите случайное число в центр видеокадра (занимающего менее 2% экрана с углом зрения 1,5°), чтобы участники могли сосредоточиться централизованно во время стимуляции. Убедитесь, что число изменяется с интервалом в 5 с, чтобы стимулировать устойчивое внимание (рисунок 2B).
- Загрузите сконструированный видеофайл на смартфон и отобразите его на полной яркости (минимум ~490 нит), выступая визуальным стимулом системы SSVEP.
- Зарядите беспроводную 14-канальную ЭЭГ-гарнитуру, которая будет использоваться в качестве основного записывающего устройства ЭЭГ (рисунок 3А).
- Выполните сопряжение гарнитуры с соседним компьютером с помощью прилагаемого универсального USB-приемника (ключа). Вставьте ключ в USB-порт компьютера, включите гарнитуру с помощью кнопки питания, откройте программное обеспечение 14-канальной гарнитуры ЭЭГ на компьютере и нажмите кнопку «Подключить» в приложении рядом с отображаемым идентификатором гарнитуры (см. Таблицу материалов).
- Полностью насытить поставляемые войлочные датчики солевым раствором.
- Установите насыщенные датчики в черные пластиковые кронштейны гарнитуры, осторожно поворачивая каждый датчик по часовой стрелке, пока не почувствуется «щелчок» и датчик не почувствует себя в безопасности.
3. Базовая оценка участников
- Получить согласие от всех участников, которые прошли скрининговые вопросы, на участие в исследовании до начала сезона регби.
- Попросите участников сесть в кресло в тихой закрытой обстановке с естественным окружающим освещением, например, в офисном помещении. Пока участники сидят, установите 14-канальную гарнитуру ЭЭГ к головам участников, сдвинув оголовье вниз от верхней части головы. Расположите электроды по международной системе 10-20 (рисунок 3B)28,29. Расположите два передних датчика гарнитуры на одной линии роста волос участников или примерно на три пальца шириной над бровями участников.
ПРИМЕЧАНИЕ: Если у участников густые волосы, поработайте с датчиком под волосами и добавьте дополнительный физиологический раствор. Если субъект перемещается из неподвижного сидячего положения или во время оценки происходит изменение настроек окружающей среды, может возникнуть артефакт (рисунок 4), и данные SSVEP не должны быть сопоставлены для анализа (отброшены).- Используйте затылочные электроды (O1 и O2) в качестве основных регистрирующих электродов и теменные электроды (P3 и P4) в качестве заземляющих и синфазных (опорных) электродов (рисунок 3B).
- Убедитесь в наличии адекватного соединения между гарнитурой и головой участников, используя программное обеспечение контактного качества, прежде чем приступать к тестированию. Зеленые электроды указывают на хорошее качество контакта (<20 кОм) в соответствии со стандартами производителя.
- В случае, если хорошее качество контакта не было достигнуто для всех интересующих электродных каналов (O1, O2), повторно насытите датчики солевым раствором и повторно проверьте позиционирование, чтобы убедиться, что датчики находятся как можно более заподлицо с кожей головы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Хорошее качество контакта должно быть получено для обеспечения электрической связи между кожей головы и электродами, сводя к минимуму потенциальные артефакты (рисунок 4).
- В случае, если хорошее качество контакта не было достигнуто для всех интересующих электродных каналов (O1, O2), повторно насытите датчики солевым раствором и повторно проверьте позиционирование, чтобы убедиться, что датчики находятся как можно более заподлицо с кожей головы.
- Попросите участников поднести тестируемый смартфон в VR-кадре к глазам, смыть их лица и носовой мост, гарантируя, что оба глаза полностью закрыты.
- Попросите участников подтвердить, что фокусное число видно в центре экрана и что кадр блокирует свет окружающей среды.
- Снимите VR-кадр с лица участников и сообщите им, что видео визуального стимула теперь будет инициировано. Затем передайте им обратно VR-кадр для повторного нанесения в том же положении, что и на шаге 3.4.1.
- Напомните участникам, что они должны сосредоточиться на фокусном числе и оставаться неподвижными и спокойными в течение всего времени тестирования SSVEP.
- Инициируйте визуальный стимул видео, нажав кнопку Play на экране смартфона, а затем попросите участников поместить VR-кадр на его лицо (согласно шагу 3.4).
- Попросите участников подтвердить, что VR-кадр находится в правильном положении в соответствии с шагом 3.4. После подтверждения участника одновременно запустите секундомер обратного отсчета в течение 30 с, а затем нажмите кнопку «Начать запись» на программном обеспечении 14-канальной гарнитуры ЭЭГ, чтобы начать запись на гарнитуре ЭЭГ.
- По истечении 30-секундного периода остановите запись ЭЭГ, нажав кнопку «Стоп» на программном обеспечении 14-канальной гарнитуры ЭЭГ.
- Снимите VR-кадр с глаз участников и сообщите им, что первая оценка SSVEP завершена.
- Сохраните записанный ответ SSVEP для локальной учетной записи, нажав кнопку «Сохраненные сеансы» в программном обеспечении 14-канальной гарнитуры ЭЭГ. Экспортируйте сохраненный файл в виде файла европейского формата данных (EDF) на предпочитаемое аппаратное устройство хранения.
ПРИМЕЧАНИЕ: Файлы EDF должны быть помечены инициалами участника, датой, временем и типом проведенного теста (исходный уровень, после травмы или восстановление) для целей идентификации и хранения. - Повторите протокол оценки SSVEP (шаги 3.2-3.9) в быстрой последовательности после шага 3.9.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это проводится во втором чтении из двух оценок и дает неизменно более четкое показание ЭЭГ. - После того, как пара оценок SSVEP будет успешно завершена, попросите участника снять VR-кадр с глаз и осторожно снять гарнитуру с голов участников.
- Извлеките электродные датчики из гарнитуры и храните их в соответствующем защитном чехле до их следующего использования, чтобы убедиться, что физиологический раствор не разъедает электроды гарнитуры.
- Очистите как гарнитуру, так и смартфон + рамку изопропиловым спиртом (70%) перед хранением обеих единиц оборудования в соответствующих чехлах до их следующего использования.
- Спросите участника, испытывали ли они какие-либо ненормальные реакции на стимул, включая наличие головной боли или головокружения. Запишите ответ в журнал исследования.
- Сообщите участнику, что он завершил базовое тестирование и будет оценен снова в течение 72 часов после следующей соревновательной игры сезона.
4. Оценка после травмы
- Убедитесь, что любое воздействие на поле, подозреваемое в сотрясении мозга, регистрируется и сообщается исследователю либо врачом команды, либо игроком.
- Получите оценку после травмы любых игроков, о которых сообщалось на этапе 4.1 в течение 72 часов после инцидента, используя протокол SSVEP, подробно описанный в разделе 3.
- Убедитесь, что все игроки проходят оценку SSVEP после травмы, которая оценивается врачом команды (см. раздел 5), чтобы определить, когда игрок оправился от травмы и может вернуться к полноконтактным тренировкам и играм. Убедитесь, что диагноз врача команды записан для исследовательских целей.
- Сообщите игроку, что он будет повторно оценен с помощью системы SSVEP, как только врач команды будет считать его выздоровевшим.
5. Клинические оценки сотрясения мозга
- Убедитесь, что все игроки оцениваются врачом команды в течение 72 часов после потенциального воздействия, вызывающего сотрясение мозга.
ПРИМЕЧАНИЕ: Врач команды должен быть лицензированным практикующим врачом с клиническим опытом в оценке травм, связанных со спортом, и одобрен соответствующим руководящим органом спорта.- Попросите врача команды выполнить неврологический осмотр в дополнение к использованию элементов Инструмента оценки спортивного сотрясения мозга (SCAT) для определения состояния сознания игрока и наличия каких-либо общих признаков и симптомов, связанных с сотрясением мозга15.
ПРИМЕЧАНИЕ: Оценки проводятся с типичным поведением и поведением игрока в качестве ориентира.
- Попросите врача команды выполнить неврологический осмотр в дополнение к использованию элементов Инструмента оценки спортивного сотрясения мозга (SCAT) для определения состояния сознания игрока и наличия каких-либо общих признаков и симптомов, связанных с сотрясением мозга15.
- В соответствии с руководящими принципами30 по поэтапному возвращению в игру (GRTP) в Австралии, убедитесь, что игрок повторно оценивается тем же врачом команды в течение 48 часов после постановки диагноза сотрясения мозга и снова один раз за тренировку, пока не будет допущен к возвращению к игре30.
- Убедитесь, что игроки проходят окончательную оценку с врачом команды, чтобы определить, выздоровели ли они клинически, прежде чем позволить им вернуться к полноконтактной практике или играм. Врач должен определить состояние травмы игрока на основе улучшения тестирования SCAT и уменьшения сопутствующих симптомов и любого атипичного поведения, которое было отмечено ранее.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эта окончательная оценка должна проводиться по истечении как минимум 12 дней после травмы в соответствии с GRTP.- Запишите определение врачом состояния травмы игрока (сотрясение мозга или восстановление) для целей расследования.
6. Оценка восстановления
- Оцените игроков, которые были признаны выздоровевшими на шаге 5.3, используя протокол SSVEP, описанный в разделе 3, чтобы получить ответ восстановления SSVEP.
7. Оценка надежности теста-повторного тестирования
- Убедитесь, что все участники, не получившие травм, проходят повторное тестирование в течение 72 часов после каждой соревновательной игры сезона с портативной системой SSVEP в той же настройке, что и в разделе 3, чтобы получить данные для тестирования и повторного тестирования надежности системы.
8. Обработка данных ССВЭП
- Создайте числовой вычислительный скрипт, который может импортировать и обрабатывать все записанные файлы данных EDF из разделов 3-7 (см. Таблицу материалов).
- Примените полосовой фильтр Баттерворта с угловыми частотами 5 Гц и 40 Гц к необработанным напряжениям SSVEP, полученным с помощью 14-канальной гарнитуры ЭЭГ, чтобы свести к минимуму влияние низкочастотного шума, смещения напряжения постоянного тока и питанияот сети 31.
- Примените быстрое преобразование Фурье (FFT) к отфильтрованным значениям SSVEP для анализа данных в частотной области32.
- Нормализуйте значения БПФ из электродных каналов O1 и O2 для получения единого массива значений для графического построения в виде плотности спектра мощности (рисунок 5).
- После обработки данных ЭЭГ рассчитайте отношение сигнал/шум (SNR) каждого файла данных, разделив величину 15 Гц на среднюю величину между 5-40 Гц. Формула SNR выглядит следующим образом:
Где:
Амплитуда15 Гц = Напряжение диапазона частот 15 Гц (мкВ)
Среднее амплитудное = Среднее напряжение во всех частотных диапазонах между 5-40 Гц (мкВ) - Убедитесь, что все данные (необработанный EDF, обработанный EDF, значение SNR, комментарии и даты состояния травмы игроков) сохранены в соответствующих помеченных папках для целей расследования.
9. Статистический анализ
- Объедините файлы данных игроков в листе с разделителями-запятыми (CSV) категорически (отдельные столбцы для базового уровня, сотрясения мозга и чтения восстановления).
- Используйте SNR каждого показания SSVEP для сравнения различных групп. Выражайте все обобщенные данные в виде медиан с25-м по75-й межквартильный диапазон (IQR), с уровнем статистической значимости альфа (α) = 0,05, и все уровни дисперсии, отображаемые в стандартном отклонении (± S.D.). Используйте статистическое аналитическое программное обеспечение (см. Таблицу материалов) для анализа значений SNR группы.
- Оцените нормальность значений SNR всех игроков с помощью теста Шапиро-Уилка.
- Сравните средний SNR между всеми тремя группами оценки, используя парные t-тесты (между исходными показаниями с сотрясением мозга, показаниями с сотрясением мозга и показаниями с восстановлением исходного уровня) для игроков, которые испытали все три типа оценок. Убедитесь, что применяется многократная коррекция сравнения, используя коррекцию Бонферрони.
- Рассчитайте размер эффекта сравнения t-теста, используя D32 Коэна.
- Оценка надежности теста-повторного испытания с использованием модели 3, тип k внутриклассового коэффициента корреляции (ICC); ICC(3,k) с 95% доверительным интервалом (CI) для изучения соглашения между базовым уровнем и повторным тестированием в течение сезона.
ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперимент может быть приостановлен и перезапущен в более поздний момент времени.
10. Улучшена настройка портативной системы SSVEP
ПРИМЕЧАНИЕ: Система, описанная в этом разделе, представляет собой установку «все в одном», которая была разработана для обеспечения более эффективного процесса измерения, как более быстрого, так и с улучшенным комфортом для участника. Обратите внимание, что установка, описанная в разделах 2-6, представляет собой упрощенный прототип, состоящий из многочисленных единиц оборудования, объединенных для создания системы доказательства концепции. Схема протокола, использующего эту систему, представлена на рисунке 6.
- Получите портативную систему SSVEP, которая содержит визуальный стимул и конфигурацию электрода, эквивалентную системе, описанной в разделе 2 (см. Рисунок 7A).
- Загрузите приложение SSVEP системы из магазина приложений iOS на устройство, работающее под управлением iOS (см. Таблицу материалов).
- Убедитесь, что исследовательская группа ознакомлена с инструкциями по использованию (IFU) портативной системы SSVEP и прилагаемым к ней приложением iOS, которое позволяет активировать устройство SSVEP и локально хранить показания ЭЭГ.
- Создавайте тематические учетные записи в приложении iOS, следуя инструкциям по использованию переносимой системы SSVEP. Откройте приложение, выберите вкладку «Темы» и нажмите кнопку «Добавить новый объект ».
11. Эталонная настройка системы ЭЭГ
- Получите валидированный элег-усилитель клинического класса с модульной конфигурацией электрода, не содержащей компонента визуального стимула (рисунок 7C).
- Убедитесь, что исследуемая группа ознакомлена с инструкциями по применению (IFU) клинической системы ЭЭГ и прилагаемым к ней программным обеспечением для клинической неврологии (см. Таблицу материалов), которые позволяют активировать усилитель и локально хранить показания ЭЭГ.
12. ЭЭГ-валидация улучшенной портативной системы SSVEP
- Набирайте здоровых, англоязычных взрослых участников, используя те же критерии исключения, которые подробно описаны в разделе 1. Согласие этих участников на исследование валидации системы SSVEP.
- Случайным образом присваивайте участникам число от 01 до 20. Оцените участников с нечетным числом, присвоенным сначала портативной системой SSVEP, а затем клинической системой ЭЭГ (шаги 12.3-12.16). Наоборот для участников, назначенных с четными номерами (шаги 12.10-12.14, затем 12.3-12.9, затем 12.15-12.16) (рисунок 6).
- Настройте гарнитуру SSVEP в соответствии с инструкциями по эксплуатации (IFU): полностью зарядите гарнитуру и подключите ее к приложению SSVEPiOS. Вставьте поставляемые полиуретановые сенсорные цилиндры в электродные каналы и насытите с помощью обычного солевого раствора.
- Поместите гарнитуру SSVEP на голову участника в соответствии с IFU системы, причем нижняя часть заднего корпуса расположена непосредственно над инионом участника, корпус переднего козырька надежно размещен над его глазами и носовым мостом, а гарнитура затянута с помощью эластичных регулировочных ремней и закрепленных пряжек.
- Перед тестированием проверьте индикатор импеданса приложения SSVEP iOS, чтобы обеспечить адекватное соединение между гарнитурой и головой участника. Зеленые визуальные индикаторы на соответствующем применении (импеданс <15 кОм) указывают на хорошее качество контакта в соответствии со стандартами производителя.
- Если хорошее качество контакта не достигнуто для всех интересующих электродных каналов, повторно насытите датчики обычным солевым раствором и повторно проверьте позиционирование, чтобы убедиться, что датчики находятся как можно более заподлицо с кожей головы.
ПРИМЕЧАНИЕ: Хорошее качество контакта должно быть получено для обеспечения электрической связи между кожей головы и электродами, сводя к минимуму потенциальные артефакты (рисунок 4). - Убедитесь, что участник чувствует себя комфортно. Попросите их оставаться неподвижными, спокойными и тихими, сидя и глядя вперед в огни, и моргать только тогда, когда это необходимо. Если субъект перемещается из неподвижного сидячего положения или во время оценки происходит изменение настроек окружающей среды, может возникнуть артефакт (рисунок 4), и данные SSVEP не должны быть сопоставлены для анализа (отброшены).
- Если хорошее качество контакта не достигнуто для всех интересующих электродных каналов, повторно насытите датчики обычным солевым раствором и повторно проверьте позиционирование, чтобы убедиться, что датчики находятся как можно более заподлицо с кожей головы.
- Инициируйте визуальный стимул, нажав кнопку Начать тест в приложении iOS. При появлении запроса нажмите кнопку Продолжить , чтобы перейти к следующему этапу тестирования. Визуальный стимул запускается дважды в соответствии с IFU системы, получая предварительное и первичное показание SSVEP.
- После завершения оценки SSVEP снимите гарнитуру SSVEP с головы участника. Позвольте испытуемым расслабиться минимум на 30 с.
- Чтобы получить значение надежности при повторном тестировании, повторите протокол оценки SSVEP с системой SSVEP (шаги 12.3-12.7) после окончания периода отдыха.
- Дайте участникам отдохнуть в течение 5 минут, прежде чем приступить к следующей системе ЭЭГ.
- Настройте клинический усилитель ЭЭГ в соответствии с IFU: включите усилитель, подключившись к компьютеру через USB-ключ и кабель питания, подключите пять электродных проводов в соответствующие 10-20 позиций ЭЭГ 01, O2, OZ, P1 и P2, откройте программное обеспечение ЭЭГ клинической неврологии на компьютере и создайте новое исследование (через вкладку «Запись »).
- Нанесите гель для подготовки кожи головы на затылочную область головы участника, втирая гель по часовой стрелке пальцами, чтобы распределить его тонким слоем.
- Установите колпачок электрода на голову участника в соответствии с IFU клинической системы ЭЭГ. Нанесите проводящий гель на пять электродных пластырей осторожно и чистыми руками.
- Поместите пять электродных пластырей на кожу головы участника в соответствующих положениях O1, O2, O3, P1 и P2 в соответствии с номенклатурой позиционирования ЭЭГ 10-20.
- Перед тестированием проверьте индикатор импеданса программного приложения клинического усилителя ЭЭГ, чтобы обеспечить адекватное соединение между гарнитурой и головой участника. Значения импеданса <15 кОм считаются приемлемыми для применения ЭЭГ.
- В случае, если хорошее качество контакта не достигается для всех интересующих электродных каналов, повторно нанесите гели для приготовления и повторно проверьте позиционирование, чтобы убедиться, что датчики находятся как можно более заподлицо с кожей головы.
- Попросите участника держать передний козырек устройства SSVEP над глазами в соответствии с шагом 12.4, в то время как помощник следователя держит задний корпус подальше от кожи головы.
- Повторите инструкции, изложенные в разделе 12.5.2.
- Инициируйте запись усилителя ЭЭГ, нажав красный символ Record , расположенный в левом верхнем углу программного обеспечения клинической неврологии. Сразу после начала записи инициируйте визуальный стимул, нажав кнопку «Начать тест » в приложении iOS.
- Нажмите красный символ Record, чтобы остановить запись усилителя ЭЭГ, как только появится сообщение о том, что система SSVEP прекратила первый раунд стимулирования и ожидает команды на продолжение.
- Перезапустите запись усилителя ЭЭГ, нажав красный символ Record в программном обеспечении клинической неврологии, а затем продолжите визуальный стимул, нажав кнопку «Продолжить » в приложении SSVEP iOS.
- Нажмите красный символ Record, чтобы остановить запись усилителя ЭЭГ, как только появится сообщение о том, что система SSVEP прекратила визуальный стимул.
- Дайте субъекту расслабиться минимум на 30 с. Чтобы получить значение надежности теста-ретеста, повторите протокол оценки SSVEP с клинической системой ЭЭГ (этапы с 12.10 по 12.13) после окончания периода отдыха (два общих теста: Тест 1 / Тест 2).
- После того, как пара оценок SSVEP была успешно завершена, попросите участника удалить передний козырек из глаз и тщательно отсоединить электродные пятна от кожи головы.
- Очистите как гарнитуру SSVEP, так и электродные провода салфетками изопропиловым спиртом (70%) перед хранением обоих устройств в соответствующих корпусах до их следующего использования.
- Спросите участника, испытывали ли они какие-либо ненормальные реакции на стимул, включая наличие головной боли или головокружения. Запишите их ответы в журнал исследования, прежде чем сообщить им, что они завершили свое участие в исследовании.
13. Расчет надежности тестирования-повторного тестирования портативной системы SSVEP
- Загрузите необработанные значения SSVEP обоих основных тестовых наборов SSVEP с устройства iOS с помощью программного обеспечения утилиты управления мобильными устройствами; результаты будут выводиться в виде файлов с разделителями-запятыми (CSV). Для целей идентификации и хранения сохраните файлы, используя полное имя участника, тип проведенного теста и дату.
- Измените сценарий численных вычислений, созданный в разделе 8, для обработки CSV-файлов дополнительным массивом значений SSVEP из канала записи Oz .
- Сопоставьте обработанные файлы данных в массив CSV-листов со значениями, суммированными в соответствии с их соответствующей категорией теста 1 или теста 2.
- Используйте SNR каждого показания SSVEP для сравнения результатов различных тестов. Оцените надежность теста-повторного испытания с использованием модели 2, тип 1 межклассового коэффициента корреляции ICC (2,1) с 95% доверительным интервалом (ДИ) и α уровнем значимости, установленным равным 0,05.
14. Тест-ретест расчета клинической системы ЭЭГ
- Загрузите необработанные значения SSVEP обоих первичных тестовых наборов усилителей ЭЭГ из программного обеспечения клинической неврологии; результаты будут выведены в виде CSV-файлов. Для целей идентификации и хранения сохраните файлы, используя имя субъекта и тип проведенного теста.
- Повторите разделы 13.2-13.4 с использованием загруженных CSV-файлов усилителя ЭЭГ для оценки надежности клинических ЭЭГ-повторных испытаний.
15. Расчет соглашения о портативной ССВЭП и клинических системах ЭЭГ
- Очертите критерии для определения того, был ли SSVEP обнаружен системой ЭЭГ (рекомендуемые критерии: если пик основного сигнала между 5-35 Гц составляет 15 ± 0,1 Гц, и если Z-балл основного пика выше 5).
- Измените сценарий численных вычислений, созданный в разделах 12 и 13, чтобы дополнительно определить пиковую частоту и Z-оценку обрабатываемых файлов SSVEP. Формула для Z-балла есть.
Где:
Пик амплитуды = Напряжение на пиковой частоте (мкВ)
Средняя амплитуда = Среднее напряжение во всех частотных диапазонах между 5-35 Гц (мкВ) - Провести биномиальный анализ способности систем ЭЭГ успешно обнаруживать SSVEP с использованием изложенных критериев, с биномиальной вероятностью (%) в качестве соглашения между двумя системами. Предварительные и первичные записи для каждой системы должны использоваться для расчета уровня согласованности по двум наборам данных, соответственно.
- Используйте Z-балл каждого показания SSVEP для сравнения различных систем ЭЭГ. Выражайте все обобщенные данные в виде медиан с25-м по75-й межквартильный диапазон (IQR). Используйте программное обеспечение для статистической аналитики для статистического анализа обрабатываемых в системе значений.
- Модифицируйте числовой вычислительный скрипт, сгенерированный в разделах 12 и 13, чтобы дополнительно определить средний SNR для каждой частоты, которая привела к точке данных в диапазоне от 0 до 25 Гц всех (предварительных и первичных) файлов SSVEP, генерируемых SSVEP и клинической системой ЭЭГ.
- Создание плотности спектра мощности (PSD) обеих систем нормализовало средние результаты SNR в диапазоне от 0 до 25 Гц (см. Репрезентативные результаты).
ПРИМЕЧАНИЕ: Создайте отдельный ряд данных для каждой системы ЭЭГ и наложите его на один и тот же PSD.
- Создание плотности спектра мощности (PSD) обеих систем нормализовало средние результаты SNR в диапазоне от 0 до 25 Гц (см. Репрезентативные результаты).
Representative Results
В общей сложности 65 мужчин-регбистов (20,9 ± 2,3 года) были успешно включены в первый раздел этого исследования, причем все игроки прошли базовую оценку SSVEP (рисунок 1). В течение сезона регби 12 участников получили потенциальную сотрясительную травму на игровом поле и были повторно оценены с помощью системы SSVEP для оценки после травмы. Врач команды оценил этих игроков, используя протокол оценки клинического сотрясения мозга, и диагностировал этих 12 участников как сотрясённых. Все двенадцать были признаны выздоровевшими врачом в течение 12-дневного периода времени GRTP30. После того, как врач определил, что игроки были восстановлены, 8 игроков были доступны для дополнительного SSVEP; классифицируется как оценка восстановления. Двадцать два игрока, которые не получили сотрясения мозга, были повторно протестированы в целях изучения надежности в течение сезона. Остальные участники, которые не прошли повторное тестирование, были потеряны для последующего наблюдения. На протяжении всего исследования не сообщалось о каких-либо побочных эффектах после стимуляции SSVEP. Надежность системы SSVEP, используемой на регбистах, была подтверждена высоким внутриклассовым коэффициентом корреляции (ICC) с 95% доверительным интервалом, равным 0,91 (0,79-0,96) для повторно протестированных нетравмированных игроков (n = 22) и 0,96 (0,74-0,99) для повторно протестированных восстановленных игроков33. Для этого расчета были рассмотрены наборы данных, в которых было достигнуто хорошее качество контакта. Это является результатом нескольких случаев, когда потенциал волос или кожи участников влиял на способность систем ЭЭГ получать чистый SSVEP (рисунок 4).
Чтобы определить, может ли SSVEP, полученный с помощью этой исследовательской системы, быть использован в качестве биомаркера для сотрясения мозга, значения SNR обработанных результатов были сгруппированы в исходные (контрольные), сотрясенные и восстановительные оценки для сравнения (рисунок 1). В целом, медиана SNR для всех контрольных игроков (n = 65) составила 4,80 [IQR: 4,07-5,68], при этом средняя обработанная ЭЭГ контрольной группы показала четкий пиковый сигнал 15 Гц в соответствующем частотном спектре33. Аналогичная реакция наблюдалась, когда средние значения SSVEP отдельной контрольной группы (n = 20; здоровая общая популяция), полученные одним и тем же визуальным стимулом, но зарегистрированные с другой системой ЭЭГ, были отображены как плотность спектра мощности (рисунок 5). Это медианное распределение и плотность спектра мощности позволили установить четкий контроль для реакции SSVEP нераненого (не сотрясенного) игрока на следственную установку (рисунок 2, рисунок 3). Медианный SNR всех сотрясенных игроков (n = 12) и выздоровевших игроков с доступными оценками SSVEP (n = 8) составил 2,00 [IQR: 1,40-2,32] и 4,82 [IQR: 4,13-5,18] соответственно33. В пилотном исследовании наблюдались значительные различия в медианных значениях SNR (+4,03; p < 0,0001) между контрольными (исходными) и сотрясенными игроками. Сотрясение мозга оказало большое влияние на сигнал SSVEP (Cohens, d = 4,03). Интересно, что выздоровевшая группа игроков имела минутную дисперсию SNR (+0,02; p = 0,0495) только при значимости (α < 0,05), с тривиальным эффектом по сравнению с контрольной группой (Cohens, d = 0,17)33. Это указывает на то, что после полного выздоровления, в соответствии с руководящими принципами GRTP30, значения SSVEP эквивалентны для игрока с сотрясением мозга и без травм. Кроме того, медиана SNR значительно отличается (+2,80; p = 0,0002) между группой игроков с сотрясением мозга и восстановлением, демонстрируя, что период восстановления оказал большое влияние на сигнал SSVEP игрока с сотрясением мозга (Cohens, d = 3,60)33.
Аналогичная реакция в медианной дисперсии SNR наблюдалась при сравнении только игроков, которые прошли все три формы тестирования (n = 8; исходные линии, сотрясение мозга и восстановление). Наблюдалось значительное изменение между исходными показателями и сотрясением мозга (-2,34; p = 0,0001) и сотрясением мозга и восстановлением (-2,72; p = 0,0002), тогда как незначительная дисперсия наблюдалась между исходными линиями и восстановлением (+ 0,28; p = 0,0495), с тривиальным эффектом между этими группами (Коэны d = 0,17). Эти результаты были подкреплены при взятии средних значений SNR игроков, которые прошли все три формы тестирования. Средний SNR базовых показателей этих игроков, сотрясенных и восстановительных показателей составил 4,45, 2,20 и 4,33 соответственно. Наблюдалась существенная разница между исходным уровнем и сотрясением мозга (p = 0,0001) и сотрясением мозга и группами восстановления (p = 0,0002). Разница в средних значениях SNR между группой восстановления и исходной группой была небольшой, но только по значимости (p = 0,0495). В целом, реакция на стимул была ниже у игроков с сотрясением мозга по сравнению с их базовой оценкой. После контролируемого периода восстановления эти игроки в конечном итоге смогли получить ответ, эквивалентный их первоначальной (базовой) оценке33. Это демонстрирует, что сотрясение мозга, связанное со спортом, влияет на способность человека генерировать SSVEP в течение минимального периода в 12 дней. Если реакция человека на SSVEP регулярно измерялась аналогично этому протоколу (рисунок 1): исходный уровень, после травмы, восстановление, практикующий врач может потенциально использовать SSVEP в качестве биомаркера сотрясения мозга.
Портативная система SSVEP «все-в-одном» (рисунок 7А) использовалась на (n = 20) здоровых контрольных субъектах из общей популяции, не указанных в спорте регби. Поскольку это исследуемое устройство с другой электродной системой (рисунок 7B) и слегка отличающимися стимулами от первоначальной установки SSVEP, медианные и средние значения SNR были недопустимы для сравнения (таблица 1). Аналогичным образом, поскольку участники не занимались спортом с высокой частотой сотрясения мозга, система SSVEP не оценивалась как маркер SSVEP для сотрясения мозга. Вместо этого было проведено исследование надежности повторного тестирования для проверки системы для будущего использования в крупномасштабных испытаниях (рисунок 6). Система SSVEP вернула высокую корреляцию 0,81 (CI: 0,59-0,92), что указывает на надежность устройства при получении SSOP (таблица 2). Кроме того, точность технологии ЭЭГ систем была подтверждена путем согласованного исследования по сравнению с традиционной системой ЭЭГ клинического класса (рисунок 7C), которая вернула аналогичное значение ICC 0,83 (ДИ: 0,63-0,93) (таблица 2). Первое повторение тестирования (предварительное) привело к тому, что 18/20 участников продемонстрировали согласие между обеими системами с биномиальной вероятностью 95%. Для одного участника устройства не согласились из-за того, что система SSVEP обнаруживает более заметный альфа-ритм, чем желаемый отклик сигнала 15 Гц (рисунок 8). Для другого участника ССВЭП не был идентифицирован с клинической системой ЭЭГ (рисунок 9). Тем не менее, во втором повторении (первичном) все 20 участников имели согласие в обеих системах на биномиальную вероятность 100%. Общая точность двух систем для получения SSVEP проиллюстрирована на рисунке 10, на котором изображены обе системы, имеющие заметное SNR исключительно на стимулируемой частоте: 15 Гц. Это подтверждает, что портативная система функционально эквивалентна устройствам клинического класса, которые используются для записи сигналов ЭЭГ. При приеме в сочетании с портативностью и простотой использования системы SSVEP он открывает множество приложений для захвата качества исследований SSVEP за пределами клинических условий, таких как крупномасштабное тематическое исследование SRC.
Рисунок 1: Блок-схема методики участия спортсменов в исследовании SRC-SSVEP. На блок-схеме подробно описан скрининг отбора участников и распределение групп на протяжении всего исследования SRC-SSVEP игроков любительского регби. КГД; сотрясение мозга, связанное со спортом. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Визуальный стимулирующий компонент портативной системы SSVEP. (A) ЖК-смартфон с загруженным и отображаемым видео, встроенным в картонную рамку VR. Участник должен держать рамку VR вровень с лицом и носовым мостом, гарантируя, что оба глаза полностью закрыты рамой. B) иллюстрация визуального стимула; Видеопетли создан из чередующихся белого (верхний ряд) и черного экранов (нижний ряд) на частоте 15 Гц. Каждый экран содержал два кадра, разделенных вертикальной разделительной линией, выровненной с левым и правым полем зрения кадра VR. Каждый кадр содержал фокусную точку в виде числа в центре, которое чередовалось в диапазоне 1-9 с интервалом 5 с. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. ЖК-дисплей; жидкокристаллический дисплей. VR; виртуальная реальность. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Компонент беспроводной ЭЭГ портативной системы SSVEP. (A) 14-канальная гарнитура ЭЭГ, способная передавать данные по беспроводной сети на соседний приемник, подключенный к компьютеру. (B) Визуальная карта положения 14 электродов в отношении международной системы ЭЭГ 10-20 для размещения электродов в исследованиях ЭЭГ на людях. Два затылочных электрода (O1 и O2) использовались в качестве регистрирующих электродов, в то время как два теменных электрода использовались в качестве общемодового вычитания и заземления (P3 и P4 соответственно) в исследовании SRC-SSVEP. ЭЭГ; электроэнцефалография. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. КГД; сотрясение мозга, связанное со спортом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Иллюстрация важности качества контакта в измерениях SSVEP. Ответы SSVEP одного контрольного (здорового населения в целом), измеренного с помощью системы SSVEP, с заданной частотой стимула 15 Гц и частотой дискретизации 250 Гц, когда: (A) на электродах используется атипичный физиологический раствор, (B) электроды недостаточно прорабатываются через волосы субъекта для контакта с кожей головы, (C) электроды насыщаются физиологическим раствором и прорабатываются через волосы. Физиологический раствор необходим для обеспечения электрической связи между головой пациента и электродами; без него артефакты большого амплитудного потенциала кожи наблюдаются гармоничным образом. Волосы действуют как резистор, сводя к минимуму электрическую связь между кожей головы пациента и электродами и, следовательно, приводит к увеличению шума. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Средняя реакция SSVEP 20 контрольных субъектов в исследовании валидации ЭЭГ. Ответы SSVEP контрольных (здоровых в общей популяции) субъектов (n = 20), измеренные с помощью системы SSVEP, с заданной частотой стимула 15 Гц и частотой дискретизации 250 Гц. Отдельные значения SSVEP были отфильтрованы между 5-40 Гц, прежде чем были быстро преобразованы и нормализованы Фурье. Средние SSVEP популяции проиллюстрированы как плотность спектра мощности, при этом ось Y представляет амплитуду сигнала в микровольтах (мкВ). ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Блок-схема методологии исследования валидации ЭЭГ между двумя системами. На блок-схеме подробно описывается методология проверки портативной системы ЭЭГ по сравнению с установленной системой отсчета ЭЭГ: системами SSVEP и клиническими системами ЭЭГ, соответственно. Контрольные (здоровые общие популяции) участники проходят скрининг и случайным образом назначаются в порядке тестирования и двух тестов, проводимых по каждой системе в режиме теста-повторного теста. ЭЭГ; электроэнцефалография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 7: Обзор электродов для исследования валидации ЭЭГ между двумя системами. (A) Улучшенная портативная система SSVEP. (B) Международный стандарт 10-20 ЭЭГ модифицированная комбинаторная номенклатурная система. (C) Установленная клиническая система референсов ЭЭГ. Система SSVEP измеряет сигналы ЭЭГ через три затылочных электродных канала (O1, O2 и Oz), используя два частичных электродных канала (P1 и P2) в качестве эталона и смещения соответственно. Клиническая система ЭЭГ позволяет измерять сигналы ЭЭГ через 40-канальный усилитель, который может быть вручную позиционирован в том же расположении O1, O2, Oz, P1, P2, что и система SSVEP для сравнения. ЭЭГ; электроэнцефалография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Плотность спектра мощности ответа SSVEP одного участника управления (участника 09), измеренная двумя системами ЭЭГ. (A) Система SSVEP. (B) Клиническая система ЭЭГ. Оба измерения были получены с использованием одного и того же визуального стимула (из системы SSVEP): 15-Гц щелкающего стимула белых светодиодов в закрытом корпусе. Обратите внимание, что, несмотря на заметный отклик 15 Гц, наблюдаемый в обеих системах, абсолютный самый высокий пик для системы SSVEP был на уровне 10,5 Гц, а не на стимулированных 15 Гц. В соответствии с критериями исследования соглашения, в котором системы должны определить стимулируемую частоту как пиковую (первичную) амплитуду, это представляет собой сбой. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. Светодиод; светодиоды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Плотность спектра мощности одного контрольного (здорового населения в целом) участника (участник 19) SSVEP, измеренная двумя системами ЭЭГ. (A) Система SSVEP. (B) Клиническая система ЭЭГ. Оба измерения были получены с использованием одного и того же визуального стимула (из системы SSVEP); 15 Гц щелкающий стимул белых светодиодов в закрытом корпусе. Обратите внимание на отсутствие заметного ответа 15 Гц для клинической системы ЭЭГ, поскольку она окружена шумом аналогичной величины. В соответствии с критериями исследования соглашения, в котором системы должны выдавать ответ с Z-баллом больше 5, это является неудачей. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. Светодиод; светодиоды. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 10: Визуальная иллюстрация соглашения между двумя системами ЭЭГ, измеряющими SSVEP участников контроля. Средняя реакция SSVEP (n = 20) контрольных (здоровых людей в целом) субъектов была построена как SNR по отношению к интересующему диапазону частот; 5-25 Гц для измерений с помощью систем SSVEP (зеленый) и clinical EEG (красный). Каждый контрольный субъект создал два набора данных для каждой системы в исследовании валидации ЭЭГ, генерируя в общей сложности 40 наборов данных SSVEP для каждой системы. Проиллюстрированные ответы двух систем были наложены, чтобы визуализировать, насколько близко они согласуются в измерении SSVEP при стимуляции одним и тем же визуальным стимулом: белыми светодиодами, мерцающими при 15 Гц в течение 30 с. Частотный диапазон фильтруется ниже прогнозируемой гармоники 30 Гц, чтобы сосредоточиться исключительно на первичном отклике стимула. ЭЭГ; электроэнцефалография. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов. СНР; отношение сигнал/шум. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| Система ЭЭГ | Минимум | IQR 25 | Медиана | IQR 75 | Максимум | Значить | Стд. |
| НК 1 | 4.402 | 8.187 | 9.829 | 13.667 | 20.703 | 11.148 | 4.577 |
| НК 2 | 4.509 | 9.123 | 11.055 | 12.586 | 23.225 | 11.615 | 4.213 |
| Граэль 1 | 4.335 | 7.99 | 10.171 | 13.238 | 21.758 | 11.36 | 4.897 |
| Граэль 2 | 4.979 | 9.002 | 10.619 | 12.667 | 20.177 | 11.22 | 3.865 |
Таблица 1: Статистическая сводка SSVEP по участникам контроля, измеренная двумя системами ЭЭГ. Два измерения SSVEP были проведены на (n = 20) контрольных (здоровая общая популяция) субъектах с использованием портативной системы ЭЭГ и установленной клинической системы ЭЭГ; Значения SNR были рассчитаны на основе SSVEP (с 15 Гц, принимаемым в качестве основного сигнала). Статистические данные были рассчитаны для каждого набора данных измерений, включая минимальный, максимальный,25-й и75-й межквартильный диапазон (IQR), медиану, среднее и стандартное отклонение (std dev). ЭЭГ; электроэнцефалография. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов.
| Система ЭЭГ | Группа | N | МТП (95% ДИ) | Среднее время между испытаниями (мин) |
| Нурочек | Контроль | 20 | 0.81 (0.59-0.92) | 0.5 |
| Граэль | Контроль | 20 | 0.83 (0.63-0.93) | 0.5 |
Таблица 2: Тестирование-повторное тестирование надежности портативной системы SSVEP и клинических систем ЭЭГ. Надежность интегрированной системы ССВЭП и клинической ЭЭГ рассчитывалась на основе межклассового коэффициента корреляции (ICC) с 95% доверительным интервалом (ДИ) из двух тестов, проведенных с разницей в 30 с, с использованием одного и того же набора контрольных (здоровая общая популяция) лиц (n=20); МТП (2,1). Значения SNR (с 15 Гц, принимаемыми в качестве основного сигнала) тестов SSVEP были использованы в качестве параметра, представляющего интерес для расчета ICC. ЭЭГ; электроэнцефалография. ССВЭП; устойчивое состояние визуальных вызванных потенциалов.
Discussion
Это первое исследование, в котором был разработан протокол, который выявляет различия в ответах SSVEP у здоровых мужчин-любителей на трех стадиях сотрясения мозга; до травмы (исходный уровень), сотрясение мозга и восстановление (рисунок 1). Метод включал в себя набор и скрининг 65 участников, которые регулярно оценивались с помощью исследовательской установки SSVEP в течение соревновательного сезона. Поскольку установка SSVEP была относительно простой и портативной, все оценки проводились в неклинической среде, демонстрируя потенциальное использование в качестве оценки сотрясения мозга в месте оказания медицинской помощи. Исследование успешно продемонстрировало, что способность человека генерировать SSVEP ослабевает после диагностированного сотрясения мозга. Было замечено, что депрессивное влияние сотрясения мозга уменьшается после определенного периода восстановления, как видно, когда значения SSVEP возвращаются к предварительному сотрясению мозга для каждого человека. Статистический анализ между группами участников показал значимость эффектов затухания SSVEP. Высокая надежность испытаний-повторных испытаний у участников без сотрясения мозга подчеркнула стабильность электрофизиологического биомаркера в простых и более совершенных портативных системах SSVEP (таблица 2). Кроме того, абсолютное соглашение между системой SSVEP и традиционным усилителем ЭЭГ подтверждает технологию для использования в качестве медицинской помощи, способной получать сигналы ЭЭГ исследовательского качества (рисунок 10).
Поскольку это исследование зависело от участников, добровольно участвовавших в посттравматическом периоде, а также от повторных оценок в течение сезона регби, в метод пришлось внести некоторые логистические изменения. Расчетные периоды времени между исходными и повторными испытаниями должны быть гибкими, с тем чтобы соответствовать графикам участников. Несмотря на эти меры, некоторые игроки по-прежнему были потеряны для последующих действий по целому ряду различных причин, включая травмы, не связанные с этим, или отсутствие интереса. Это привело к использованию более полного статистического расчета, ICC, для надежности устройства в течение нескольких недель. Никаких побочных эффектов для установки SSVEP не наблюдалось. Были обнаружены некоторые логистические проблемы, которые потребовали незначительных изменений протокола: длинные или густые волосы, в частности, оказались проблематичными в приобретении хорошего контакта между гарнитурой и кожей головы участника. Поскольку плохой контакт снижал качество показаний ЭЭГ (рисунок 4), участники с длинными или густыми волосами должны были расчесывать и держать волосы вверх и сбоку головы, пока датчики были размещены. Дополнительный критерий исключения был сформирован из-за этой проблемы, когда люди со сложными прическами (например, дреды) были исключены из этого исследования.
Как указывалось ранее в этой статье, современные инструменты оценки сотрясения мозга очень субъективны и подвержены риску манипуляций со стороны спортсмена, которые в конечном итоге могут помешать способности клинициста поставить критически важный диагноз34. Некоторые исследования по отслеживанию спортсменов пытались исследовать более объективный биомаркер сотрясения мозга с помощью радиологических методов, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ) и компьютерная томография (КТ). Однако эти методы предоставляют информацию только о макроскопических структурных повреждениях, таких как кровоизлияния, которые варьируются от определения сотрясения мозга как функциональной черепно-мозговой травмы 6,35. Результаты этого исследования подтверждаются предыдущими исследованиями, которые продемонстрировали, что VEP является функциональным биомаркером36, который ослабевает или задерживается при наличии сотрясениямозга 21,37,38. Хотя в этих предыдущих методах исследования VEP есть сходство в отношении нашей физической установки и гипотезы, наше исследование расширяет литературу за счет использования SSVEP над VEP. Кроме того, протокол варьируется в зависимости от изучения оценок игроков в режиме реального времени на трех стадиях сотрясения мозга по сравнению с традиционными контрольными и сотрясенными тематическими исследованиями. Кроме того, метод расширяет свои исследовательские возможности путем сравнения инновационных и традиционных систем ЭЭГ для выявления потенциальных различий, которые могут ограничивать их точность при получении объективных электрофизиологических измерений. Таким образом, протокол, используемый в этом исследовании, обеспечивает уникальное и ценное дополнение к существующей литературе по объективным биомаркерам сотрясения мозга.
Несмотря на общий успех этого протокола, следует отметить несколько ограничений. Например, была отмечена небольшая степень внутриучастной изменчивости фонового шума ЭЭГ для оценки, проводимой в непосредственной последовательности. Два ограничения проектирования протокола могут оказаться виноватыми в этой первой изменчивости: во-первых, отсутствие в 14-канальной системе ЭЭГ высокоточной импедансной обратной связи и слабые ограничения на влияние усталости и окружающей среды на внимательность субъекта. Хотя эта внутриучаствующая изменчивость не была замечена с другими системами ЭЭГ, используемыми в этом протоколе, стоит изучить эти эффекты более подробно, чтобы подтвердить, что их причина является результатом конструкции гарнитуры, а не неидентифицированным природным явлением. Во-вторых, большинство участников имели более крупные сигналы SSVEP после второй оценки по сравнению с первой (таблица 1). Это может быть результатом того, что участники становятся более знакомыми с процессом оценки и последующей поведенческой адаптацией к настройке оборудования, включая снижение моргания и беспокойства во время повторного представления стимула. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, действительно ли существует ознакомительный эффект протокола SSVEP, и если да, то какие потенциальные изменения необходимо внести, чтобы уменьшить его распространенность в будущих исследованиях. Наконец, важно отметить, что из-за обширной зависимости от добровольцев из относительно небольшой популяции лиц (тех, кто подвергается высокому риску возникновения сотрясения мозга с готовностью к повторному обследованию), это исследование было ограничено небольшим размером выборки из 65 участников, 12 из которых перенесли сотрясение мозга. Исследования с большим размером когорты понадобятся для оценки надежности оценки сотрясения мозга в этом протоколе, особенно его чувствительности и специфичности. Также было бы интересно увидеть, как этот протокол воспроизводится в ряде возрастных групп, чьи состояния развития мозга варьируются, от тех, кто все еще развивается (подростки), до тех, у кого потенциальное снижение когнитивных функций (пожилые люди), и определить, значительно ли отличается реконсивность. Что касается улучшенной системы SSVEP, ее сравнительное исследование выявило встроенные ограничения устройства по сравнению с традиционными системами ЭЭГ. Традиционные системы ЭЭГ обычно используют полную систему монтажей 10-20, которые включают 21 электродный участок (рисунок 7B). Система SSVEP, с другой стороны, использует только три электродных канала (O1, O2 и Oz), соответствующих зрительной коре (рисунок 7A). Это снижение возможностей означает, что система имеет более узкую сферу применения ЭЭГ и ограничивает потенциальный анализ, который может быть проведен на основе электрофизиологических данных, полученных в рамках этого протокола.
Как упоминалось ранее, необходимы дальнейшие исследования, чтобы преодолеть ограничения этого протокола и проверить его силу на более широкой когорте, чтобы оценить, могут ли его результаты быть обобщены. Что еще более важно, необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе нашего открытия в ослаблении SSVEP. Например, изменения в реакции SSVEP, обнаруженные у наших участников с сотрясением мозга, являются наиболее вероятными представлениями о нарушениях функции нейронов, но пока не установлено, являются ли они первичными (например, поврежденное белое вещество) или вторичными (например, нейровоспалительными) явлениями. Одним из потенциальных будущих применений этого метода является исследование восстановительного периода, связанного с депрессией нейронов и сотрясением мозга, индивидуализированным для субъекта. Более глубокое понимание этого периода восстановления может привести к внесению изменений в правила и положения о возвращении к игре (RTP), которые лучше защищают травмированного спортсмена. Этот метод также вводит практичность портативной системы SSVEP, применяемой в неклинических условиях, таких как оценка сотрясения мозга, проводимая целесообразно на боковой линии спортивного поля. Это может принести значительную пользу не только медицинским работникам, но и тренерам, спортсменам и их соответствующим семьям для устранения негативных физиологических последствий сотрясения мозга и синдрома второго удара10,11. Создание улучшенных систем SSVEP, таких как портативная система SSVEP, используемая в этом исследовании, может привести к появлению более совершенного оборудования и технологических применений в области нейрофизиологии и SRC, которые окажутся полезными для успеха будущих исследований.
Таким образом, этот протокол оказался успешным в своей цели идентификации SSVEP в качестве объективного биомаркера сотрясения мозга у спортсменов контактного спорта. Исследование в целом предоставляет доказательства того, что SSVEP значительно ослаблены при наличии сотрясения мозга и могут быть надежно получены на уровне качества исследований с помощью упрощенной портативной системы ЭЭГ. Поэтому мы предлагаем использовать SSVEP в качестве дополнительной помощи для оценки сотрясения мозга, в частности, для боковой оценки SRC. Дальнейшие исследования с более совершенными протоколами, передовыми методами и улучшенным оборудованием могут основываться на этом исследовании и предоставлять важную информацию для борьбы с пагубными последствиями сотрясений мозга для жизни спортсменов.
Disclosures
Авторы заявляют о потенциальных конфликтах интересов и заявляют о них ниже:
Адриан Коэн является директором HeadsafeIP Pty Ltd и отмечен патентными заявками, связанными с технологиями в этой области.
Дилан Махони является сотрудником HeadsafeIP. HeadsafeIP занимается исследованиями, разработками и коммерциализацией технологий, связанных с сотрясением мозга. HeadsafeIP Pty. Ltd может получить финансовую выгоду, если продукты, связанные с этим исследованием, успешно продаются.
Дэрил Фонг является сотрудником Cryptych Pty Ltd. Cryptych Pty Ltd предоставляет консультационные услуги HeadsafeIP по соответствующему производству своего устройства в соответствии с нормативными требованиями.
Дэвид Путрино, Джозеф Эррера и Ребекка Барон являются сотрудниками Медицинской школы Икана на горе Синай и участвуют в спонсируемых исследованиях, изучающих варианты использования улучшенного устройства SSVEP.
Acknowledgments
Оборудование, использованное в первоначальном эксперименте (исследовательский SSVEP), было предоставлено Школой аэрокосмической, механической и мехатронной инженерии в Сиднейском университете. Оборудование, используемое во второй половине исследования, интегрированные системы SSVEP и EEG, были предоставлены HeadsafeIP.
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
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bey, T., Ostick, B.
- 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).
- 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).
- Stern, R. A., et al. Long-term consequences of repetitive brain trauma: chronic traumatic encephalopathy. PM & R. 3 (10), Suppl 2 460-467 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Asken, B. M., et al. Concussion-like symptom reporting in non-concussed collegiate athletes. Archives of Clinical Neuropsychology. 32 (8), 963-971 (2017).
- 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).
- 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).
- Freed, S., Hellerstein, L. F. Visual electrodiagnostic findings in mild traumatic brain injury. Brain Injury. 11 (1), 25-36 (1997).
- 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).
- Phurailatpam, J. Evoked potentials: Visual evoked potentials (VEPs): Clinical uses, origin, and confounding parameters. Journal of Medical Society. 28 (3), 140-144 (2014).
- Kothari, R., Bokariya, P., Singh, S., Singh, R. A Comprehensive review on methodologies employed for visual evoked potentials. Scientifica. 2016, 1-9 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Handy, T. C. Event-related Potentials: A Methods Handbook. , A Bradford Book. (2005).
- Kappenman, E. S., Luck, S. J. The Oxford Handbook of Event-Related Potential Components. , Oxford library of Psychology. (2012).
- 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).
- 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).
- Liu, Y., et al. IEEE International Conference on Virtual Environments Human-Computer Interfaces and Measurement Systems (VECIMS) Proceedings. , 34-37 (2012).
- 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).
- 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).
- Slobounov, S. M., Sebastianelli, W. J. Concussions in Athletics: from Brain to Behaviour. , Springer. (2014).
- Drislane, F. W. The Clincal Neurophysiology Primer. , Humana Press. 461-473 (2007).
- 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).
- 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).
