정상 상태 시각 유발 전위를 측정할 수 있는 휴대용 시스템이 개발되어 18주 동안 아마추어 럭비 선수 65명을 대상으로 SSVEP를 뇌진탕의 잠재적 전기생리학적 바이오마커로 조사하기 위해 시험되었습니다. 선수들의 기준선은 프리 시즌 동안 측정되었으며, 신뢰성, 뇌진탕 및 회복 평가에 대한 재테스트가 통제 된 기간 내에 각각 수행되었습니다.
정상 상태 시각 유발 전위 (SSVEP)를 측정 할 수있는 휴대용 시스템은 외상 사건 후 뇌전도 (EEG) 검사의 객관적이고 정량화 가능한 방법을 제공하기 위해 개발되었습니다. 이 연구에서, 휴대용 시스템은 SSVEP가 뇌진탕에 대한 신뢰할 수있는 전기 생리학적 바이오마커인지 여부를 결정하기 위해 한 시즌 동안 65 명의 건강한 럭비 선수에게 사용되었습니다. 경쟁 시즌을 앞두고 모든 선수들은 기본 SSVEP 평가를 받았습니다. 시즌 동안 선수들은 경기 후 72시간 이내에 테스트 재검사 신뢰성 또는 부상 후 평가를 위해 재테스트를 받았습니다. 의학적으로 진단 된 뇌진탕의 경우, 선수는 의사에 의해 회복 된 것으로 간주되면 다시 재평가되었습니다. SSVEP 시스템은 15Hz 플리커 자극을 전달하는 VR 프레임에 탑재된 스마트폰으로 구성되었으며, 무선 EEG 헤드셋은 후두 활동을 기록했습니다. 플레이어는 앉아서 조용하게 유지하면서 화면의 고정 지점을 응시하도록 지시 받았다. 전극은 10-20 EEG 위치 명명법에 따라 배열되었으며, O1-O2는 기록 채널이고 P1-P2는 참조 및 바이어스입니다. 모든 EEG 데이터는 버터워스 대역통과 필터, 푸리에 변환 및 정규화를 사용하여 주파수 분석을 위해 데이터를 변환하여 처리하였다. 선수 SSVEP 응답은 신호 대 잡음비 (SNR)로 정량화되었으며, 15Hz는 원하는 신호이며 비교를 위해 각 연구 그룹으로 요약되었습니다. 뇌진탕을 앓고있는 선수들은 기준선에 비해 SNR이 현저히 낮은 것으로 나타났습니다. 그러나 복구 후 SNR은 기준선과 크게 다르지 않았습니다. 테스트 재테스트는 휴대용 시스템에 대한 높은 장치 신뢰성을 나타냈습니다. 향상된 휴대용 SSVEP 시스템은 또한 확립 된 EEG 증폭기에 대해 검증되어 조사 설계가 연구 품질의 EEG 측정을 얻을 수 있는지 확인했습니다. 이것은 뇌진탕 후 아마추어 운동 선수의 SSVEP 반응의 차이를 확인한 최초의 연구이며 뇌진탕 평가 및 관리에 도움이되는 SSVEP의 잠재력을 나타냅니다.
요즘 사람들은 스포츠1에서 뇌 손상으로 인한 이환률을 크게 알고 있습니다. 스포츠 관련 뇌진탕 (SRC)은 축구, 럭비 및 권 투2,3,4와 같은 접촉 스포츠에서 빈번히보고되는 경미한 외상성 뇌 손상 (mTBI)의 한 형태입니다. 현장에 충격을 가한 후 뇌에 충동적인 힘을 생체 역학적으로 전달하면 신경 기능이 중단되어 운동 선수의 신체적,인지 적, 정서적 상태에 영향을 미치는 즉각적 및 일시적인 증상을 초래합니다 1,5. 대부분의 경우, 이러한 증상은 단기간 내에 가라 앉고, 운동 선수가 적절하게 치료되고 추가 충격에 노출되지 않도록 부여됩니다 6.
SRC가 선수의 신경 건강에 해롭기 때문에 스포츠 관리 기관은 안전하고 시기 적절한 뇌진탕 진단 을 사용하여 안전한 재생 프로토콜 5,7,8,9을 허용해야 하는 과제에 직면해 있습니다. 그러나 뇌진탕 감지는 뇌진탕 진단을 피하기 위해 증상을 최소화하거나 거부하는 운동 선수에 의해 배제 될 수 있으므로 경기 복귀를 가속화 할 수 있습니다. 이러한 행동은 잠재적으로 뇌진탕 회복 단계10 동안 두 번째 머리 부상 후 빠른 뇌 부종이 형성되는 상태 인 Second Impact Syndrome의 위험을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 뇌진탕 진단에 관한 교육의 부족과 생리적 정의의 가변적 특성으로 인해, SRC가 보고되지 않거나 잘못 진단되는 것은 드문 일이 아니다11. 불행히도, 장기간의 반복적이고 부적절하게 관리되는 뇌진탕은 SRC12,13,14와 강하게 관련이있는 만성 외상성 뇌병증 (CTE)과 같은 다양한 만성 신경 학적 장애를 유발할 수 있습니다.
SRC와 관련된 문제를 해결하기 위해 스포츠 조직은 다양한 뇌진탕 평가 도구를 활용합니다. 가장 일반적으로 사용되고 접근 가능한 도구인 스포츠 뇌진탕 평가 도구(SCAT)는 스케일링된 증상 보고15,16과 함께 신체적 및 인지 평가를 통합하는 표준화된 종이 테스트입니다. 그러나 이전의 연구에서는 대조군17,18의 mTBI 그룹 및 이상값 내의 성별 차이를 확인함으로써 증상 보고가 주관적이고 신뢰할 수 없다는 것을 입증했습니다. CNT (Computerized Neurocognitive Test)로 작동하는 즉각적 뇌진탕 후 평가 도구 (ImPACT)와 같은 전문적인 수준에서 활용되는보다 진보 된 도구는 운동 선수의 적극적인 참여와 노력이 필요하기 때문에 조작의 희생자가됩니다. CNT에서 조작에 대한 내장 된 검사에도 불구하고 연구에 따르면 천장 효과에 취약하고 신뢰성이 떨어지는 것으로 나타났습니다19,20. SRC의 중요한 건강 영향에 대한보다 대중적인 이해와 결합 된 이러한 기존 평가 도구의 한계로 인해 뇌진탕을 정확하고 적시에 진단 할 수있는 객관적인 바이오 마커가 절실히 필요했습니다.
뇌진탕에 대한 객관적인 바이오마커를 확인하는 데 있어 약속을 보여준 한 분야는 전기생리학이다. 사건 관련 잠재성, 특히 시각적 유발 전위(VEP)가 뇌진탕21,22에 이어 손상된다는 새로운 증거가 있다. VEP의 하나의 서브세트; 정상 상태 시각 유발 전위 (SSVEP)는 뇌전도 (EEG) 기술23,24에 의해 측정 된 바와 같이 시각적 자극의 특정 세트에 반응하여 뇌에서 발생하는 전기 활동의 객관적이고 정량화 가능한 변동입니다. SSVEP는 잡음 아티팩트에 대한 향상된 저항과 기존 VEP 측정에 대한 가변 접점 임피던스를 제공합니다. 또한, 시각적 자극의 제어된 빈도로 인해, EEG 기록과 자극 사이의 동시성의 감소가 있고, 그 결과 보다 단순화된 전기 모델(25,26)이 생성된다. 이러한 접근법은 플리커형 자극(27)에 대한 살리언스의 최적 응답을 생성하는 12-15 Hz 범위 사이의 주파수들로 검증되었다. 전반적으로 이러한 장점은 SSVEP가 스포츠 경기장 및 의사 사무실과 같은 비 임상 환경에서 사용할 수있는보다 강력한 전기 생리학 측정을 제공한다는 것을 의미합니다. 이전 문헌에서 기술의 긍정적 인 결과와 결합 된이 부업 적용 가능성은 SRC에 대한 객관적인 바이오마커의 확인을위한 유망한 후보자가됩니다.
이 연구의 목표는 경험 많은 스포츠 의사가 건강, 뇌진탕 또는 최근 뇌진탕에서 회복 된 것으로 평가 한 운동 선수로부터 기록 된 SSVEP의 잠재적 인 차이를 조사하는 것이 었습니다. 이 연구의 방법론은 65 명의 남성 아마추어 럭비 유니온 선수가 18 주간의 경쟁 시즌 동안 휴대용 SSVEP 시스템으로 정기적으로 평가되는 것을 수반했습니다. 플레이어는 완전 접촉 훈련이 시작되기 전에 기준선에 대해 평가되어야하며 경쟁 게임 후 72 시간 이내에 재평가되어야합니다. 시즌 중 부상을 입은 선수들은 팀의 의사에 의해 뇌진탕에 대한 평가를 받았으며 부상 후 및 회복 판독을 위해 SSVEP 시스템으로 재평가되었습니다. 또한, 이 연구는 SRC의 부업 평가에 잠재적으로 도움이 될 수 있는 연구 품질의 EEG 판독값을 획득할 수 있는 휴대용 SSVEP 시스템의 능력을 검증하기 위해 프로토콜을 확장합니다.
이것은 뇌진탕의 세 단계에서 건강한 남성 아마추어 루비 유니온 선수의 SSVEP 반응의 차이를 식별하는 프로토콜을 개발하는 첫 번째 연구입니다. 부상 전(기준선), 뇌진탕 및 회복(그림 1). 이 방법에는 경쟁 시즌 동안 조사 SSVEP 설정으로 정기적으로 평가 된 65 명의 참가자를 모집하고 심사하는 것이 포함되었습니다. SSVEP 설정이 비교적 간단하고 휴대가 용이했기 때문에 모든 평가가 비임상 환경에서 수행되어 치료 시점 뇌진탕 평가로서의 잠재적 인 사용을 입증했습니다. 이 연구는 SSVEP를 생성하는 개인의 능력이 진단 된 뇌진탕 후 약화된다는 것을 성공적으로 보여주었습니다. 뇌진탕의 우울한 영향은 SSVEP 값이 각 개인에 대해 뇌진탕 전 수준으로 돌아 왔을 때 볼 수 있듯이 정의 된 회복 기간 후에 감소하는 것으로 나타났습니다. 참가자 그룹 간의 통계적 분석은 SSVEP 감쇠 효과에서 유의성을 나타냈다. 비뇌진탕 참가자의 높은 시험-재시험 신뢰성은 간단하고 보다 정제된 휴대용 SSVEP 시스템에서 전기생리학적 바이오마커의 안정성을 강조했다(표 2). 또한 SSVEP 시스템과 기존 EEG 증폭기 간의 절대적인 일치는 연구 품질의 EEG 신호를 얻을 수 있는 의료 보조 장치로 사용할 수 있는 기술을 검증합니다(그림 10).
이 연구는 럭비 시즌 동안 반복적 인 평가뿐만 아니라 부상 후 자원 봉사 참가자들에게 의존했기 때문에이 방법을 일부 물류 수정해야했습니다. 기준선과 재시험 사이의 예상 기간은 참가자의 일정을 수용할 수 있도록 유연해야 했습니다. 이러한 조치에도 불구하고 일부 선수들은 관련이없는 부상이나 관심 부족을 포함하여 다양한 이유로 후속 조치를 취하지 못했습니다. 그 결과 몇 주 동안 장치의 신뢰성을 위해 보다 포괄적인 통계 계산인 ICC를 사용하게 되었습니다. SSVEP 셋업에 대한 유해 사례는 관찰되지 않았다. 프로토콜의 사소한 수정이 필요한 일부 물류 문제가 발생했습니다 : 특히 길거나 두꺼운 머리카락은 헤드셋과 참가자의 두피 사이의 좋은 접촉을 얻는 데 번거로운 것으로 판명되었습니다. 접촉이 불량하면 EEG 판독값의 품질이 저하되기 때문에(그림 4), 머리카락이 길거나 두꺼운 참가자는 센서를 배치하는 동안 머리카락을 머리 옆으로 닦고 잡아야 했습니다. 이 문제로 인해 추가적인 배제 기준이 생성되었으며, 복잡한 헤어 스타일 (예 : 드레드락)을 가진 개인이이 연구에서 제외되었습니다.
이 논문에서 이전에 설명한 바와 같이, 현재의 뇌진탕 평가 도구는 매우 주관적이며 궁극적으로 임상의가 결정적으로 중요한 진단을 내리는 능력을 방해 할 수있는 운동 선수에 의한 조작의 위험에 처해 있습니다34. 일부 운동 선수 추적 연구는 자기 공명 영상 (MRI) 및 컴퓨터 단층 촬영 (CT)과 같은 방사선 학적 양식의 사용을 통해 뇌진탕에 대한보다 객관적인 바이오 마커를 조사하려고 시도했습니다. 그러나, 이들 방법은 기능적 뇌 손상으로서의 뇌진탕의 정의와 상이한 출혈과 같은 거시적 구조적 손상에 대한 정보만을 제공한다6,35. 본 연구의 결과는 VEP가 기능적 바이오마커36인 것으로 입증된 이전 연구에 의해 뒷받침되며, 이는 뇌진탕 21,37,38의 존재 하에서 약독화 또는 지연된다. 우리의 물리적 설정 및 가설과 관련하여 이러한 이전 VEP 연구 방법에는 유사점이 있지만, 우리의 연구는 VEP를 통한 SSVEP의 사용을 통해 문헌을 확장합니다. 또한, 프로토콜은 전통적인 제어 대 뇌진탕 사례 연구와 비교하여 뇌진탕의 세 단계에서 선수에 대한 실시간 평가를 조사함으로써 다릅니다. 또한이 방법은 혁신적인 EEG 시스템과 전통적인 EEG 시스템을 비교하여 객관적인 전기 생리학 측정을 얻는 데있어 정확성을 제한 할 수있는 잠재적 인 차이점을 구별함으로써 조사 능력을 확장합니다. 따라서, 본 연구에 사용된 프로토콜은 객관적인 뇌진탕 바이오마커에 대한 기존 문헌에 독특하고 가치있는 부가물을 제공한다.
이 프로토콜의 전반적인 성공에도 불구하고 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 예를 들어, 즉각적인 연속으로 수행된 평가를 위한 배경 EEG 잡음에서 참가자 내 변동성의 작은 정도가 주목되었다. 두 가지 프로토콜 설계 한계는 이 첫 번째 변동성에 대해 잘못됨으로 입증될 수 있습니다: 첫 번째는 14채널 EEG 시스템의 고충실도 임피던스 피드백 부족과 피로 및 환경적 영향이 피사체의 주의력에 미치는 영향에 대한 느슨한 제약입니다. 이 참가자 내 변동성은이 프로토콜에 사용 된 다른 EEG 시스템에서는 볼 수 없었지만 이러한 효과를 더 자세히 탐구하여 원인이 헤드셋 설계의 결과이며 확인되지 않은 자연 발생이 아닌지 확인하는 것이 좋습니다. 둘째, 대부분의 참가자는 첫 번째 평가 대 두 번째 평가 후 더 큰 SSVEP 신호를 가졌습니다 (표 1). 이것은 참가자들이 평가 과정에 더 익숙해지고 결과적으로 반복 자극 프리젠 테이션 중에 깜박임과 불안감을 줄이는 것을 포함하여 장비 설정에 대한 행동 적응의 결과 일 수 있습니다. SSVEP 프로토콜에 실제로 익숙화 효과가 있는지 여부를 결정하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하며, 그렇다면 향후 연구에서 발생을 줄이기 위해 어떤 잠재적 인 수정이 필요한지 여부를 결정하기 위해 필요합니다. 마지막으로, 상대적으로 적은 개인 집단 (반복적으로 검사 할 의지가있는 뇌진탕 발생 위험이 높은 사람들)의 자원 봉사자에 대한 광범위한 의존으로 인해이 연구는 65 명의 참가자로 구성된 작은 표본 크기로 제한되었으며, 그 중 12 명이 뇌진탕을 앓았다는 점에 유의해야합니다. 더 큰 코호트 크기의 연구는 뇌진탕에 대한이 프로토콜의 평가의 견고성, 특히 민감도와 특이성을 평가하기 위해 필요할 것입니다. 또한이 프로토콜이 뇌 발달 상태가 여전히 발달하고있는 사람들 (청소년)에서 잠재적인인지 기능 저하 (노인)에 이르기까지 다양한 연령대에서 복제되고 응답성이 크게 다른지 여부를 설명하는 것도 흥미로울 것입니다. 향상된 SSVEP 시스템과 관련하여, 비교 연구는 전통적인 EEG 시스템과 비교하여 장치의 내장 한계를 강조했습니다. 전통적인 EEG 시스템은 일반적으로 21개의 전극 사이트를 구성하는 몽타주의 전체 10-20 시스템을 채택합니다(그림 7B). 반면 SSVEP 시스템은 시각 피질에 해당하는 세 개의 전극 채널(O1, O2 및 Oz)만 사용합니다(그림 7A). 이러한 능력의 감소는 시스템이 EEG 적용 범위가 더 좁다는 것을 의미하며 이 프로토콜 내에서 획득한 전기생리학적 데이터에 대해 수행될 수 있는 잠재적 분석을 제한한다.
앞서 언급했듯이이 프로토콜의 한계를 극복하고 결과를 일반화 할 수 있는지 여부를 평가하기 위해 더 큰 코호트에서 강도를 테스트하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 더 중요한 것은 SSVEP 감쇠에서 우리의 발견의 기초가되는 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해서는 추가 연구가 필요하다는 것입니다. 예를 들어, 우리의 뇌진탕 참가자에서 발견되는 SSVEP 반응의 변화는 신경 기능 장애의 표현 일 가능성이 가장 높지만, 이것이 일차 (예 : 손상된 백질) 또는 이차 (예 : 신경 염증성) 현상인지 여부는 아직 밝혀지지 않았습니다. 이 방법의 한 가지 잠재적 인 미래 적용은 피험자에게 개별화 된 신경 우울증 및 뇌진탕과 관련된 회복 기간에 대한 조사입니다. 이 회복 기간에 대한 더 깊은 통찰력은 부상당한 운동 선수를보다 잘 보호하는 스포츠 복귀 (RTP) 규칙 및 규정에 대한 개정을 볼 수 있습니다. 이 방법은 또한 스포츠 경기장의 측면에서 편리하게 제공되는 뇌진탕 평가와 같은 비 임상 환경에 적용되는 휴대용 SSVEP 시스템의 실용성을 소개합니다. 이것은 의료 전문가뿐만 아니라 코치, 운동 선수 및 그 가족에게 뇌진탕 및 두 번째 충격 증후군10,11의 부정적인 생리적 영향을 다루기 위해 상당한 이익을 제공 할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이 연구에서 활용 된 휴대용 SSVEP 시스템과 같은 향상된 SSVEP 시스템의 생성은 향후 연구의 성공에 도움이되는 것으로 입증 될 신경 생리학 및 SRC 분야에서보다 진보 된 장비 및 기술 응용 프로그램이 발생하는 것을 볼 수 있습니다.
요약하면,이 프로토콜은 SSVEP를 접촉 스포츠 운동 선수의 뇌진탕에 대한 객관적인 바이오마커로 식별하려는 목적에서 성공적이었습니다. 이 연구는 전체적으로 SSVEP가 뇌진탕이있는 상태에서 상당히 감쇠되고 단순화 된 휴대용 EEG 시스템을 통해 연구 품질 수준에서 안정적으로 생산 될 수 있다는 증거를 제공합니다. 따라서 우리는 SSVEP가 뇌진탕 부상의 평가, 특히 SRC의 부업 평가를위한 보충 보조제로 사용될 수 있다고 제안합니다. 보다 세련된 프로토콜, 고급 기술 및 개선 된 장비를 사용한 추가 연구는이 연구를 기반으로 뇌진탕이 운동 선수의 삶에 미치는 해로운 영향에 대처할 수있는 중요한 정보를 제공 할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
초기 실험 (조사 SSVEP)에 사용 된 장비는 시드니 대학의 항공 우주, 기계 및 메카트로닉 공학 학교에서 제공했습니다. 연구의 후반부에 활용 된 장비 인 통합 SSVEP 및 EEG 시스템은 HeadsafeIP에 의해 제공되었습니다.
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 |
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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 |
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