开发了一种能够测量稳态视觉诱发电位的便携式系统,并在18周内在65名业余橄榄球运动员身上进行了试验,以研究SSVEP作为脑震荡的潜在电生理生物标志物。球员的基线是在季前赛中测量的,分别在受控的时间段内进行可靠性,脑震荡和恢复评估的重新测试。
开发了一种能够测量稳态视觉诱发电位(SSVEP)的便携式系统,以提供创伤事件后客观,可量化的脑电图(EEG)测试方法。在这项研究中,便携式系统在整个赛季中用于65名健康的橄榄球运动员,以确定SSVEP是否是一种可靠的脑震荡电生理生物标志物。在比赛季节之前,所有球员都接受了基线SSVEP评估。在赛季中,球员在比赛后72小时内重新测试,以进行测试 – 重新测试可靠性或伤病后评估。在医学诊断为脑震荡的情况下,一旦医生认为球员康复,球员就会再次重新评估。SSVEP系统由一部安装在VR框架中的智能手机组成,可提供15 Hz的闪烁刺激,而无线EEG耳机则记录枕部活动。玩家被指示盯着屏幕的固定点,同时保持坐姿和安静。电极按照10-20脑电定位命名法排列,O1-O2为记录通道,P1-P2为参考和偏置。所有脑电图数据均使用巴特沃斯带通滤波器、傅里叶变换和归一化进行处理,以转换数据以进行频率分析。将玩家的SSVEP响应量化为信噪比(SNR),15 Hz是所需信号,并汇总到各自的研究组中进行比较。脑震荡患者被认为与基线相比具有显着较低的SNR;然而,在恢复后,他们的信噪比与基线没有显着差异。重新测试表明,笔记本电脑的设备可靠性很高。改进的便携式SSVEP系统还针对已建立的脑电图放大器进行了验证,以确保调查设计能够获得研究质量的脑电图测量结果。这是第一项确定脑震荡后业余运动员SSVEP反应差异的研究,并指出SSVEP可能有助于脑震荡评估和管理。
现在,人们非常清楚运动1中脑损伤引起的发病率。运动相关性脑震荡 (SRC) 是轻度创伤性脑损伤 (mTBI) 的一种形式,经常在足球、橄榄球和拳击等接触性运动中报告2,3,4。在撞击场后,冲动力向大脑的生物力学转导导致神经元功能的破坏,导致影响运动员身体,认知和情绪状态的即时和短暂症状1,5。在大多数情况下,只要运动员得到适当的治疗,这些症状就会在短时间内消退,并且不会受到进一步的影响6.
由于SRC对运动员的神经健康有害,体育管理机构面临着采用准确及时的脑震荡诊断的挑战,以实现安全的重返赛方案5,7,8,9。然而,运动员可以排除脑震荡检测,他们尽量减少或否认症状以避免脑震荡诊断,从而加速他们重返赛场。这些行为可能会增加他们患第二次冲击综合征的风险,这是一种在脑震荡恢复阶段10期间第二次头部受伤后形成快速脑水肿的病症。此外,由于缺乏关于脑震荡诊断的教育和其生理定义的可变性,SRC未报告或误诊的情况并不少见11。不幸的是,长时间反复和管理不当的脑震荡可能导致一系列慢性神经损伤,例如慢性创伤性脑病(CTE),这与SRC12,13,14密切相关。
为了应对与SRC相关的挑战,体育组织利用各种脑震荡评估工具。最常用和最容易获得的工具,运动脑震荡评估工具(SCAT),是一种标准化的纸质测试,结合了身体和认知评估以及量表症状报告15,16。然而,先前的研究表明,通过识别mTBI组内的性别差异和对照组的异常值17,18,症状报告是主观的和不可靠的。在专业水平上使用的更高级工具,例如作为计算机化神经认知测试(CNT)运行的脑震荡后立即评估工具(ImPACT),也成为操纵的受害者,因为它们需要运动员的积极参与和努力。尽管对碳纳米管的操纵进行了内置检查,但研究表明,它们容易受到天花板效应的影响,并且可靠性较差19,20。这些现有评估工具的局限性,加上公众对SRC显着健康影响的更了解,导致迫切需要一种能够准确及时诊断脑震荡的客观生物标志物。
在确定脑震荡的客观生物标志物方面显示出希望的一个领域是电生理学。有新出现的证据表明,脑震荡后,与事件相关的电位,特别是视觉诱发电位(VEP)受损21,22。VEP的一个子集;稳态视觉诱发电位(SSVEP)是一种客观的,可量化的电活动波动,该波动发生在大脑中,以响应一组特定的视觉刺激,通过脑电图(EEG)技术23,24测量。SSVEP 为传统 VEP 测量提供了改进的抗噪声伪影和可变接触阻抗。此外,由于视觉刺激的频率受控,EEG记录和刺激之间的同步性降低,导致更简化的电模型25,26。这种方法已经在12-15 Hz范围内的频率进行了验证,从而产生了闪烁型刺激27的最佳显着响应。总体而言,这些优势意味着SSVEP提供了更强大的电生理测量,可用于非临床环境,如运动场和医生办公室。这种副业应用的可能性与该技术在先前文献中的积极结果相结合,使其成为鉴定SRC客观生物标志物的有希望的候选者。
本研究的目的是调查SSVEP的潜在差异,这些差异是由经验丰富的运动医生评估为健康,脑震荡或从最近的脑震荡中恢复的运动员记录的。该研究的方法要求在18周的竞争赛季中,对65名男性业余橄榄球联盟球员进行便携式SSVEP系统的常规评估。在全接触训练开始之前,应评估球员的基线,并在竞争性比赛结束后的72小时内重新评估。在赛季中受伤的球员被球队的医生评估脑震荡,并使用SSVEP系统重新评估伤后和恢复读数。此外,这项研究扩展了其协议,以验证便携式SSVEP系统获得研究质量的脑电图读数的能力,这些读数可能有助于SRC的旁观评估。
这是第一项开发协议的研究,该协议确定了在脑震荡的三个阶段,健康男性业余红宝石联盟球员的SSVEP反应差异;损伤前(基线)、脑震荡和恢复(图 1)。该方法包括招募和筛选65名参与者,这些参与者在竞争季节期间通过研究性的SSVEP设置进行常规评估。由于SSVEP设置相对简单且便于携带,因此所有评估都是在非临床环境中进行的,这表明了其作为床旁脑震荡评估的潜在用途。该研究成功地证明,个体产生SSVEPs的能力在诊断出脑震荡后会减弱。在确定的恢复期后,脑震荡的抑郁影响似乎会减弱,当SSVEP值恢复到每个人的脑震荡前水平时所看到的那样。受试者组间的统计分析表明,SSVEP衰减效应具有统计学意义。非脑震荡参与者的高测试重测可靠性凸显了电生理生物标志物在简单和更精细的便携式SSVEP系统中的稳定性(表2)。此外,SSVEP系统与传统脑电图放大器之间的绝对一致性验证了该技术可用作能够获得研究质量脑电信号的医疗辅助工具(图10)。
由于这项研究依赖于参与者自愿参加受伤后以及在橄榄球赛季期间的重复评估,因此必须对方法进行一些后勤修改。基线和重新测试之间的估计时间段必须灵活,以适应参与者的时间表。尽管采取了这些措施,但由于各种各种原因,包括无关的伤病或缺乏兴趣,一些球员仍然失去了跟进。这导致使用更全面的统计计算ICC来确保设备在几周内的可靠性。未观察到SSVEP设置的不良事件。遇到了一些需要对协议进行微小修改的后勤问题:特别是长发或浓密的头发在耳机和参与者头皮之间建立良好的接触时很麻烦。由于接触不良会降低脑电图读数的质量(图4),因此在放置传感器时,长发或浓密头发的参与者需要梳理头发并保持在头部一侧。由于这个问题,产生了一个额外的排除标准,其中具有复杂发型(例如,辫子)的个体被排除在本研究中。
如前所述,目前的脑震荡评估工具是高度主观的,并且存在运动员操纵的风险,最终可能阻碍临床医生做出至关重要的诊断的能力34.一些运动员追踪研究试图通过使用放射学方法(如磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT))来研究更客观的脑震荡生物标志物。然而,这些方法仅提供有关宏观结构损伤的信息,例如出血,这与脑震荡作为功能性脑损伤的定义不同6,35。这项研究的结果得到了先前研究的支持,这些研究表明VEP是一种功能性生物标志物36,在脑震荡存在下减弱或延迟21,37,38。虽然这些先前的VEP研究方法在我们的物理设置和假设方面有相似之处,但我们的研究通过使用SSVEP而不是VEP扩展了文献。此外,与传统的对照与脑震荡的案例研究相比,该协议通过调查脑震荡三个阶段对球员的实时评估而有所不同。此外,该方法通过比较创新和传统的脑电图系统来扩展其调查能力,以区分可能限制其获得客观电生理测量值的潜在差异。因此,本研究中使用的方案为客观脑震荡生物标志物的现有文献提供了独特而有价值的补充。
尽管该协议总体上取得了成功,但仍存在一些需要注意的限制。例如,注意到背景脑电图噪声的受试者内部变异程度很小,用于立即连续进行的评估。两个协议设计限制可能被证明是第一个可变性的错误:第一个是14通道EEG系统缺乏高保真阻抗反馈,以及疲劳和环境影响对受试者注意力的影响的松散约束。虽然在该协议中使用的其他脑电图系统中没有看到这种参与者内部的变异性,但值得更详细地探索这些影响,以确认其原因是耳机设计的结果,而不是未识别的自然事件。其次,大多数参与者在第二次评估后具有比第一次评估更大的SSVEP信号(表1)。这可能是参与者越来越熟悉评估过程以及随之而来的对设备设置的行为适应的结果,包括在重复刺激演示期间减少眨眼和不安。需要进一步的研究来确定SSVEP方案是否确实具有熟悉效果,如果是,需要进行哪些潜在的修改以减少其在将来的研究中的发生。最后,重要的是要注意,由于广泛依赖来自相对较小的个体群体的志愿者(那些脑震荡发生高风险并愿意重复检查的人),这项研究仅限于65名参与者的小样本量,其中12名患有脑震荡。需要进行更大队列规模的研究,以评估该协议对脑震荡评估的稳健性,特别是其敏感性和特异性。同样有趣的是,在大脑发育状态不同的一系列年龄组中复制了该协议,从那些仍在发育的年龄组(青少年)到那些具有潜在认知能力下降的年龄组(老年人),并描述反应性是否显着不同。关于改进的SSVEP系统,其比较研究强调了与传统EEG系统相比,该设备的内在局限性。传统的脑电图系统一般采用完整的10-20蒙太奇系统,包括21个电极位点(图7B)。另一方面,SSVEP系统仅使用对应于视觉皮层的三个电极通道(O1,O2和Oz)(图7A)。这种能力的降低意味着该系统的脑电图应用范围更窄,并限制了可以对在该协议中获得的电生理数据进行电位分析。
如前所述,需要进一步的研究来克服该协议的局限性,并在更大的队列中测试其强度,以评估其结果是否能够推广。更重要的是,需要更多的研究来更好地了解我们在SSVEP衰减中发现的机制。例如,在我们的脑震荡参与者中发现的SSVEP反应的变化最有可能代表神经元功能紊乱,但尚未确定这些是原发性(例如,受损的白质)还是继发性(例如,神经炎症性)现象。这种方法的一个潜在的未来应用是研究与神经元抑制和脑震荡相关的恢复期。更深入地了解这一恢复期可能会看到对体育回归(RTP)规则和法规的修订,以更好地保护受伤的运动员。这种方法还介绍了便携式SSVEP系统在非临床环境中应用的实用性,例如在运动场场边方便地进行的脑震荡评估。这不仅有可能为医疗专业人员,而且为教练,运动员及其各自的家庭提供显着的好处,以解决脑震荡和第二次冲击综合征的负面生理影响10,11。改进的SSVEP系统的产生,例如本研究中使用的便携式SSVEP系统,可能会在神经生理学和SRC领域出现更先进的设备和技术应用,这将有利于未来研究的成功。
总之,该协议在将SSVEP确定为接触性运动运动员脑震荡的客观生物标志物方面被证明是成功的。该研究作为一个整体提供了证据,证明SSVEP在脑震荡的情况下显着减弱,并且能够通过简化的便携式脑电图系统在研究质量水平上可靠地生产。因此,我们建议将SSVEP用作脑震荡损伤评估的补充辅助工具,特别是SRC的场外评估。使用更精细的协议,先进的技术和改进的设备进行进一步的研究可以在这项研究的基础上进行,并提供关键信息,以对抗脑震荡对运动员生活的不利影响。
The authors have nothing to disclose.
初始实验中使用的设备(调查性SSVEP)由悉尼大学航空航天,机械和机电工程学院提供。研究后半部分使用的设备,即集成的SSVEP和EEG系统,由HeadsafeIP提供。
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 |