Uma Investigação dos Efeitos da Sports-relacionados concussão na Juventude Utilizando Ressonância Magnética Funcional e do Chefe Sistema de Telemetria de Impacto

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Summary

Este artigo fornece uma visão geral de uma abordagem multi-modal para diagnóstico da lesão traumática cerebral leve e de recuperação em jovens. Esta abordagem combina testes neuropsicológicos com ressonância magnética funcional eo chefe Sistema de Telemetria de impacto para monitorar a relação entre os impactos cabeça e atividade cerebral durante testes cognitivos.

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Keightley, M., Green, S., Reed, N., Agnihotri, S., Wilkinson, A., Lobaugh, N. An Investigation of the Effects of Sports-related Concussion in Youth Using Functional Magnetic Resonance Imaging and the Head Impact Telemetry System. J. Vis. Exp. (47), e2226, doi:10.3791/2226 (2011).

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Abstract

Uma das lesões mais comumente relatadas em crianças que participam de esportes é uma concussão ou lesão cerebral traumática leve (MTBI) 1. Crianças e jovens envolvidos em esportes organizados, tais como hóquei competitivas são quase seis vezes mais probabilidade de sofrer uma concussão grave quando comparadas com crianças envolvidas em outras atividades de lazer físico 2. Enquanto o mais comum seqüelas cognitivas de MTBI parecer semelhante para crianças e adultos, o perfil de recuperação e amplitude das conseqüências em crianças permanece desconhecida 2, assim como a influência do pré-lesão características (gênero, por exemplo) e os detalhes de lesões (por exemplo, magnitude e direção de impacto) em resultados a longo prazo. Esportes competitivos, como o hóquei, permitem a rara oportunidade de utilizar um design pré-post para obter pré-lesão dados antes de concussão ocorre sobre as características da juventude e funcionamento e para relacionar esta lesão resultado a seguir. Nosso principal objetivo é aperfeiçoar o diagnóstico de concussão pediátrica e gestão baseada em evidências de pesquisa que é específico para crianças e jovens. Para fazer isso usamos novas, abordagens multi-modal e integradoras, que irão:

  1. Avaliar os efeitos imediatos de traumatismo craniano na juventude
  2. Monitorar a resolução de sintomas pós-concussão (PCS) e desempenho cognitivo durante a recuperação
  3. Utilizar novos métodos para verificar lesão cerebral e de recuperação

Para alcançar nossos objetivos, temos implementado a telemetria Impacto Head (HIT) do sistema. (Simbex; Líbano, NH, EUA). Este sistema equipa disponível comercialmente Easton S9 capacetes de hóquei (Easton-Bell Sports; Van Nuys, CA, EUA) com um único eixo acelerômetros projetado para medir acelerações em tempo real a cabeça durante o contato participação desportiva 3-5. Usando a tecnologia de telemetria, a magnitude da aceleração e localização de todos os impactos na cabeça durante a participação do esporte pode ser objetivamente detectados e registrados. Nós também usamos imagens de ressonância magnética funcional (fMRI) para localizar e avaliar as mudanças na atividade neural, especificamente nos lobos medial temporal e frontal, durante o desempenho de tarefas cognitivas, uma vez que essas são as regiões cerebrais mais sensíveis aos ferimentos na cabeça concussive 6. Finalmente, estamos adquirindo dados de imagem estruturais sensíveis a danos na substância branca do cérebro.

Protocol

1. Obtenção de pré-lesão Baseline Profile neuropsicológicos Assunto

  1. Antes de chegar assunto para testes, garantir todo o equipamento está funcionando corretamente e pronto para testes e que o quarto está livre de distrações desnecessárias.
  2. Depois de analisar o consentimento dos pais e sujeito medida, e circunferência sujeito registro de altura, peso e cabeça.
  3. Administrar avaliação equilíbrio enquanto está de pé na plataforma de força na seguinte ordem de condições: A1 - em plataforma de força, olhos abertos; A2 - em plataforma de força, os olhos fechados; A3 - na plataforma de força, enquanto vestindo a cúpula conflito visual.
  4. Lugar AirexBalance-pad em cima da plataforma de força e administração repetida das condições de equilíbrio de avaliação (A1-A3) com o suporte assunto em cima da placa AirexBalance-pad e força combinada.
  5. Medir e registrar a força de preensão da mão e administrar o teste pegboard ranhuras para ambas as mãos esquerda e direita.
  6. Administrar o teste saltar sobre a esteira de salto, primeiro a partir de uma posição de agachamento, em seguida, o contra-movimento, completando três ensaios para cada posição.
  7. Conduta perna teste contração voluntária máxima usando a plataforma de força e bar força.
  8. Administrar bateria de testes neuropsicológicos na seguinte ordem de acordo com Instruções Manual de Avaliação: Post-concussão Sintoma Scale-Revised; Criança Mood Checklist Self-Report; Waterloo Questionário lateralidade; Teste Rey Complex Figure: teste de cópia, Teste de Fluência Verbal; Rey Teste Figura Complexa: Julgamento Lembre-se imediata; tarefa de memória verbal de Trabalho; Rey Auditory Verbal Learning Test; Rey Teste Figura Complexa: Trial evocação tardia; Rey Teste Figura Complexa: Trial Reconhecimento; Cor Stroop e teste Word; Symbol Digits Teste Modalidades; Cor infantil Trails Teste; Trabalho Visual Tarefa memória; Rey Auditory Verbal Learning Test: recordação tardia; Rey Auditory Verbal Learning Test: Teste de Reconhecimento; Paced infantil Auditivo tarefa de atenção de série (ver Figura 1 para uma ilustração do Verbal e Visual tarefas Memória de Trabalho).
  9. Testes neuropsicológicos pontuação seguindo as instruções de teste correspondente manual, onde apropriado.
  10. Digite todos os resultados dos testes em banco de dados.

2. Adquirir Estrutural e Funcional Imagens Base MRI Assunto

  1. Antes da sessão de testes, conduzir uma entrevista de triagem MRI via telefone para garantir participante pode seguramente passar por uma ressonância magnética.
  2. Ao chegar para a sessão de testes, revisão consentimento / concordância formulário com o assunto e seu pai (s), repetir o exame de ressonância magnética, oferecem uma orientação completa e visão geral do aparelho de ressonância magnética e experimentar de uma forma adequada à idade. Perguntar se o sujeito tem alguma dúvida.
  3. Ter assunto remover todas as jóias de metal, acessórios e objetos dos bolsos.
  4. Demonstrar como sujeito é responder a estímulos apresentados durante a tarefa de memória de trabalho através do uso de remos Lumitouch (uma ressonância magnética-safe 'mouse' com botões esquerdo e direito somente).
  5. Ter o assunto tampões para os ouvidos de inserção.
  6. Ter a pessoa se deitar na cama de scanner.
  7. Posicionar a cabeça na bobina cabeça e estabilizar a cabeça usando inserções de espuma e uma cinta de lembrete na testa. Caso o participante exigir lentes corretivas para ver a tela do computador, encaixá-los com ressonância magnética compatível com óculos de proteção com a força da prescrição adequada.
  8. Mover o scanner no scanner.
  9. Tela de vídeo lugar fora furo do scanner e sujeito orientar para espelhar na bobina de cabeça, onde a tarefa de memória de trabalho será projetada.
  10. Obter imagem ponderada T1 estruturais usando gradiente mimada 3D com preparação de inversão (3D SPGR-IRprep) (ver Tabela 1 para uma descrição completa de parâmetros de varredura).
  11. Administrar a tarefa de memória de trabalho e recolher imagens de ressonância magnética funcional utilizando um único tiro T2 *- imagem ponderada com espiral in / out de leitura 7.
  12. Obter imagens FLAIR.
  13. Obter PD/T2 imagem ponderada usando dual-spin-echo echo rápido (2D-FSE-XL) usando ASSET. ASSET será desativado se hiperintensidades substância branca são vistas na imagem FLAIR.
  14. Obter T2 *- imagens ponderadas estruturais usando gradiente lembrou echo (GRE).
  15. Obter 2 tensor de difusão de imagem (DTI) conjuntos de dados (3 se o tempo permitir) usando único tiro de imagem eco-planar com spin-echo dupla.
  16. Remover assunto de scanner.

3. Gravando a força e direção de Acessos ao chefe usando a telemetria Impacto Head (HIT) Sistema

  1. Obter um bom ajuste para o capacete de hóquei sobre a cabeça do sujeito.
  2. Retire as pilhas do capacete e carregar completamente, em seguida, retornar ao capacete.
  3. Garantir que os capacetes e sistema HIT são de transmissão e recepção de dados, respectivamente, antes da coleta de dados do jogo.
  4. Coletar dados durante o jogo, recordiparar ng cada período de hockey e hora de início.
  5. Enviar dados para processamento via mecanismo para sincronizar Simbex usando conexão de internet.

4. Realizar pós-MTBI Teste de acompanhamento neuropsicológico

  1. No mesmo dia, como um relatório de danos é recebida, preencha o Formulário de Relatório de Hit Lesão com o pai para obter detalhes clínicos e funcionais em relação à lesão.
  2. Administrar o PCS-R de assunto e determinar a gravidade dos sintomas atuais.
  3. Cerca de 1 º dia pós-lesão: administrar PCS-R. Se os sintomas são resolvidos (ou seja, não retornaram aos níveis basais), não administrar bateria de testes neuropsicológicos completa.
  4. Se os sintomas sujeito permitirem, concluir a avaliação do equilíbrio (consulte a 1.3 e 1.4) eo teste de salto (veja 1.6).
  5. Se os sintomas sujeito autorização, administrar perna teste de contração voluntária máxima (veja 1.7).
  6. Se os sintomas do sujeito, uma vez permitir testes físico é concluída, administrar a tarefa de memória verbal e visual de trabalho.
  7. Continuar a administrar o PCS-R até que os sintomas se resolvam (ou seja, retorno aos níveis basais), de acordo com o cronograma descrito na Tabela 2.
  8. Aproximadamente 5 dias pós-lesão: administrar PCS-R. Se os sintomas forem seqüência de testes não resolvida repetir acima (consulte a 4,3-4,6).
  9. Se os sintomas ainda não foram resolvidos após 7 dias pós-lesão, continuar a administrar PCS-R semanalmente até os sintomas desaparecerem.
  10. Para os indivíduos cujos sintomas tenham desaparecido, repita os passos 1,2-1,9.
  11. Proceder à estruturais e funcionais de ressonância magnética follow-up sessão de digitalização (consulte a Seção 5).

5. Adquirir Estrutural e Funcional MRI Pós-MTBI Follow-up Imagens

  1. Programação do curso, para acompanhamento da sessão de varredura dentro de 72 horas pós-lesão.
  2. Repita os passos 2,2-2,16 listados acima.
  3. Se os sintomas são resolvidos no momento da primeira sessão de acompanhamento de digitalização, agendar uma segunda sessão de acompanhamento digitalização assim que os sintomas são resolvidos e repita os passos 2,2-2,16 como listado acima.

6. Assunto realizando controle pareado neuropsicológicos testes de acompanhamento

  1. Examine as idades (ou seja, anos e meses) de todos os sujeitos envolvidos no experimento e gerar uma lista de potenciais idade e sexo compatíveis controles de acordo com datas de nascimento correspondentes a dentro de 3 meses no mesmo ano civil para cada assunto MTBI.
  2. Contato com indivíduos controles e agendar sessão de testes.
  3. Replicar protocolo de teste para o assunto MTBI combinados com respeito ao tempo e número de sessões de acompanhamento. Repita os passos acima 1,2-1,16, conforme indicado. Por exemplo, se os sintomas o assunto MTBI foram resolvidos dentro de 24 horas e só completou uma sessão de testes de acompanhamento, que incluiu a bateria inteira neuropsicológicos, em seguida, replicar este protocolo com o tema controle pareado.
  4. Proceder à estruturais e funcionais de ressonância magnética follow-up sessão de digitalização (consulte a secção 7).

7. Adquirir Estrutural e Funcional MRI Imagens Assunto Matched Controle

  1. Repita os passos 2,2-2,16 listados acima.
  2. Se o assunto é controle corresponde a um assunto MTBI que completaram duas sessões de acompanhamento a digitalização devido a sintomas não resolvida, agende uma sessão de testes segundo que correspondem ao intervalo de tempo entre as sessões (ie número de dias) e repita os passos 2,2-2,16 como listado acima.

8. Análise de Dados

  1. Calcular estatísticas descritivas (média e desvio padrão) para magnitude e número de visitas à cabeça de cada jogador como obtido o sistema HIT, normalizando os dados por jogador por jogo.
  2. Calcular a pontuação mudança de base para a pontuação de cada teste neuropsicológico em todos os assuntos MTBI e controle pareado.
  3. Executar uma amostras pareadas t-teste com o grupo como o fator entre indivíduos (ou seja MTBI controle versus) e mudança no desempenho nos testes neuropsicológicos como variável dependente para analisar o efeito de MTBI na função neuropsicológica.
  4. Use a imagem clínica PD/T2-weighted conjuntos para gerar medidas volumétricas do cérebro inteiro para medir o inchaço mundial no cérebro imediatamente pós-MTBI.
  5. Para cada assunto MTBI, as imagens ponderadas em T1 são usadas para calcular as mudanças no volume focal de tecido usando dois cálculos cortesia de campos de deformação não-linear. Em primeiro lugar, registre-se scans de base a cada um dos exames de acompanhamento. Segunda, calcular a deformação entre pares consecutivos de scans, para capturar a curto prazo digitalização para digitalização diferenças.
  6. Corrigir os dados de DTI de correntes de Foucault distorções e movimentação da cabeça, e reorientar os rumos gradiente antes de calcular os parâmetros de tensor de difusão. Para MTBI versus não-estudos MTBI grupo, use o método do trato baseado em estatística espacial (TBSS), recentemente introduzido pelo grupo Oxford 8.
  7. Identificar qualquer hiperintensidades matéria branca nas imagens FLAIR e micro hemorragias nas imagens GRE para separar as regiões de matéria branca aparentemente normais daqueles que sofreram danos pós-MTBI 9. Use esses locais para extrair medidas quantitativas derivadas de DTI (anisotropia fracionada, FA, de difusividade dizer, D, e difusividade radial, DR).
  8. Para as análises DTI, correlacionar TBSS valores voxel com os dados HITS telemetery (ou seja, magnitude e número de visitas à cabeça), utilizando o método de análise multivariada Least Squares parcial 10-13. Mínimos quadrados parciais (PLS) é uma técnica multivariada que pode identificar todo o cérebro padrões de atividade que variam com as condições experimentais ou comportamento.
  9. Pré-processo de imagens de fMRI via coregistration espacial para um volume fiducial início a partir da imagem executado pela primeira vez para corrigir o movimento da cabeça, seguido de uma interpolação 3D transformada de Fourier.
  10. Espacialmente normalizar-motion corrigido imagens para um modelo em espiral em casa fMRI utilizando um parâmetro afim 12-transform com sinc interpolação e liso com um filtro Gaussiano de 6 mm de largura total-em-meia-máximo para aumentar o sinal-ruído ratio.
  11. Remove os primeiros cinco volumes imagem em cada corrida, no qual as mudanças ocorrem como sinal transitória de magnetização cérebro chega a um estado estacionário.
  12. Realizar análises univariada Statistical Parametric Mapping 2 (SPM2) onde os vectores identificar a imagem correspondente ao tempo de início de cada evento são convolvidos com a hemodinâmica de resposta de função (HRF) e entrou em uma baseada em voxel de regressão linear múltipla 14.
  13. Calcular as estimativas dos parâmetros para cada um dos co-variáveis ​​que refletem mudanças no sinal BOLD por evento do tipo, em relação ao valor basal.
  14. Use voxel-level t-estatísticas para realizar contrastes comparando regiões a atividade do cérebro que são diferencialmente envolvidos em tarefas (memória de trabalho por exemplo, em relação tarefa de controle) e grupos (por exemplo, controles MTBI contra).
  15. Combine as informações do sistema HIT (ie média magnitude dos impactos na cabeça de cada jogador), com dados estruturais e funcionais de neuroimagem. Para avaliar essas inter-relações, usar a análise de PLS.
  16. Use a média magnitude dos impactos na cabeça de cada jogador para executar um PLS comportamentais que vai relacionar a magnitude média das diferenças nos padrões de atividade cerebral durante o desempenho na tarefa de memória de trabalho.

9. Resultados representante

Cabeça Sistema de Telemetria de Impacto

A Tabela 3 apresenta dados quantitativos registrados para os impactos correspondentes ilustrada na Figura 2. Pico de aceleração linear é a aceleração linear máxima da cabeça de um jogador durante o impacto. As unidades são g é. A g é a aceleração da gravidade ao nível do mar (9,8 metros por segundo ao quadrado). Aceleração rotacional de pico é a aceleração máxima de rotação da cabeça de um jogador durante o impacto. As unidades são radianos por segundo ao quadrado. Azimute é uma medida do local de impacto. Azimute é definido de -180 ° a 180 ° com 0 ° na parte de trás da cabeça e azimute positiva para o lado direito da cabeça. Elevação é a outra medida de local de impacto. Elevação é definida a partir de 0 ° (plano horizontal que passa pelo centro da cabeça da gravidade) a 90 ° (coroa da cabeça).

Ressonância magnética funcional

A Figura 3 mostra os resultados de série de um fMRI atletas) concussão com resolução dos sintomas e b) com resolução de qualquer sintoma. Nota: tarefa actividades relacionadas com o cérebro na região frontal são claramente observados apenas em atletas com resolução dos sintomas.

Figura 1
Figura 1. Diagrama esquemático da tarefa de memória externa ordenado de trabalho.

Figura 2
Figura 2. Exemplo de dados do sistema HIT de interface mostrando vetores direcionais indicando a localização para os seis acertos descrito na Tabela 3. Simbex 2006.

Figura 3
Figura 3. FMRI resultados de um Serial atletas) concussão com resolução dos sintomas e b) com resolução de qualquer sintoma. PCS = pós-concussão sintomas; n = número de indivíduos; ▲ = mudança BOLD no sangue sinal de nível de oxigenação dependentes; DLPC = córtex pré-frontal dorsolateral.

Tipo de digitalização Seqüência TE/TR/TI/FA1 Matrix / FOV (cm) 2 NEX3 Slice Espessura / # Slices Outros Varredura Tempo
T1 ponderada Gradiente eco 3D estragou com a preparação de inversão (SPGR-IRprep) 5.9/1.3/300/20 256 160/22 2 1.4/128 07:30
PD/T2 ponderada Dual-echo spin echo rápido (FSE) 20.102 / 2.9s / 256 192/22 2 3 / 48 intercalados 12:00
FLAIR FSE-IRprep 140/9.3s/2.2s / 256 192/22 1 3 / 48 04:12
Tensor de difusão De um único tiro echo planar imaging, com spin echo dupla min / ~ 9s / 128 128/33 2 2.6/50 + b-valor: 1,000 s/mm2
Orientações gradiente: 23
B0: 2
gating periféricos
06:30
T2 * Gradiente echo 20/350 / / 20 256 192/22 1 3 / 48 intercalados 04:30
fMRI Single-shot T2 *, com espiral in / out de leitura 30/2s / / 70 64 64/20 26/05 monitoramento periférico: respiração, cardíaco 12:00-15:00
qT2 Poon & Henkleman 10/2500 / 128 128/24 4 01/04 21:00
TOTAL 70:42

Tabela 1. Detalhes de parâmetros de varredura Para seqüências Clínica Funcional e MR em 3T.

1 TE (echo tempo); TR (tempo de repetição); TI (inversão tempo); FA (ângulo de flip)
2 FOV (campo de visão)
3 NEX (número de excitações)

Tempo Pós-concussão escala de sintomas (PCS) Trabalhar
Memória
Tarefa
Equilíbrio Coordenação Neuropsicológicos
Avaliação
Ano de base 1 X X X X X
Pós-concussão Day (PC) 1 X X X X
PC 2 º dia X
Dia 04/03 PC X
Dia 06/05 PC X X X X
Dia 7 PC X
Semanais após o dia 7 X
Resolução PCS X X X X X
Ano de base dois X X X X X

Administração tabela 2. Das Medidas neuropsicológicas para todas as disciplinas.

Nota: Cada sujeito individual concussão será comparado com o ortopedista e não sujeitos controle de injúrias. Os controles serão administradas as medidas para o mesmo período de tempo como o sujeito concussão forem combinadas com. Por exemplo, se uma resolução assunto concussão experientes do PCS sintomas no dia 14, um sujeito controle ortopédicos, bem como um sem assunto controle de injúrias também seria administrada a avaliação neuropsicológica completa no dia 14 (ou seja tratado como se os seus sintomas "PCS 'resolvida no dia 14), a fim de coincidir com pontos de dados.

Data do Evento Tempo evento Aceleração Linear de pico Aceleração de rotação de pico Azimute Elevação
2006/10/29 15:39:01:410 22,45 2.842,32 -67,30 29,05
2006/10/29 15:47:02:120 7,09 478,66 -116,53 -61,24
2006/10/29 16:21:40:190 15,25 1.288,01 -83,96 -52,09
2006/10/29 16:48:31:910 8,91 603,32 -134,04 16,33
2006/10/29 16:48:32:060 18,18 1.256,09 60,36 10,36
2006/10/29 17:04:50:110 20,18 1.093,22 -4,47 50,31

Tabela 3. Amostra de dados coletados de um jogador com um capacete.

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Discussion

Prevemos que esses jovens que mostram o maior impacto sobre a matéria branca cerebral irá mostrar o maior reorganização da atividade cerebral, ea maior comportamentais e períodos de recuperação neural. Esta pesquisa irá fornecer uma melhor compreensão do pediátrica pós-concussão eventos e ter um impacto significativo sobre cuidados médicos, já que nos permitirá estabelecer um protocolo de recuperação com base em evidências de pesquisa que é específico para crianças e jovens. Esse protocolo pode ser traduzido para as partes interessadas, incluindo os pais, treinadores e médicos. Para atingir estes objetivos, vamos caracterizar e quantificar ainda mais as seqüelas neuropsicológicas e neurais na concussão atletas pediátricos. Também medimos melhora cognitiva e as mudanças na estrutura cerebral e padrões de atividade que acompanham a recuperação de comportamento. Além disso, o estudo irá proporcionar um novo olhar sobre o impacto de concussão e repetidos impactos não-concussive cabeça no longo prazo plasticidade cerebral e desenvolvimento dos jovens.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgments

Gostaríamos de agradecer aos Institutos Canadenses de Pesquisa em Saúde (CIHR) eo Ontario Neurotrauma Foundation (ONF) que financiou esta pesquisa.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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