Et bærbart system, der er i stand til at måle steady-state visuelt fremkaldte potentialer, blev udviklet og testet på 65 amatørrugbyspillere over 18 uger for at undersøge SSVEP som en potentiel elektrofysiologisk biomarkør for hjernerystelse. Spillernes baselines blev målt før sæsonen, hvor gentest for pålidelighed, hjernerystelse og restitutionsvurdering blev udført inden for henholdsvis kontrollerede tidsperioder.
Et bærbart system, der er i stand til at måle steady-state visuelt fremkaldte potentialer (SSVEP), blev udviklet til at tilvejebringe en objektiv, kvantificerbar metode til elektroencefalogramtest (EEG) efter en traumatisk begivenhed. I denne undersøgelse blev det bærbare system brugt på 65 raske rugbyspillere i løbet af en sæson for at afgøre, om SSVEP er en pålidelig elektrofysiologisk biomarkør for hjernerystelse. Forud for konkurrencesæsonen gennemgik alle spillere en baseline SSVEP-vurdering. I løbet af sæsonen blev spillerne testet igen inden for 72 timer efter en kamp for enten test-retest pålidelighed eller vurdering efter skade. I tilfælde af en medicinsk diagnosticeret hjernerystelse blev spillerne revurderet igen, når de blev anset for at være kommet sig af en læge. SSVEP-systemet bestod af en smartphone, der var anbragt i en VR-ramme, der leverede en 15 Hz flimmerstimulus, mens et trådløst EEG-headset registrerede occipital aktivitet. Spillerne blev instrueret i at stirre på skærmens fikseringspunkt, mens de blev siddende og stille. Elektroder blev arrangeret i henhold til 10-20 EEG-positioneringsnomenklaturen, hvor O1-O2 var optagekanalerne, mens P1-P2 henholdsvis referencerne og bias. Alle EEG-data blev behandlet ved hjælp af et Butterworth-båndpasfilter, Fourier-transformation og normalisering for at konvertere data til frekvensanalyse. Spillernes SSVEP-respons blev kvantificeret til et signal-støj-forhold (SNR), hvor 15 Hz var det ønskede signal, og opsummeret i respektive studiegrupper til sammenligning. Hjernerystede spillere blev set at have en signifikant lavere SNR sammenlignet med deres baseline; Efter genopretningen var deres SNR imidlertid ikke signifikant forskellig fra basisscenariet. Test-retest indikerede høj enhedspålidelighed for det bærbare system. Et forbedret bærbart SSVEP-system blev også valideret mod en etableret EEG-forstærker for at sikre, at det undersøgende design er i stand til at opnå EEG-målinger af forskningskvalitet. Dette er den første undersøgelse, der identificerer forskelle i SSVEP-reaktioner hos amatøratleter efter hjernerystelse og indikerer potentialet for SSVEP som en hjælp til hjernerystelsesvurdering og -styring.
Folk nu om dage er meget opmærksomme på sygeligheden forårsaget af hjerneskader i sport1. En sportsrelateret hjernerystelse (SRC) er en form for mild traumatisk hjerneskade (mTBI), der ofte rapporteres i kontaktsport som fodbold, rugby og boksning 2,3,4. Den biomekaniske transduktion af impulsiv kraft til hjernen efter en påvirkning på banen resulterer i en forstyrrelse af neuronal funktion, hvilket fører til både umiddelbare og forbigående symptomer, der påvirker en atlets fysiske, kognitive og følelsesmæssige tilstand 1,5. I de fleste tilfælde dæmpes disse symptomer inden for en kort periode, forudsat at atleten behandles korrekt og ikke udsættes for yderligere påvirkninger6.
Da SRC er skadeligt for spillernes neurologiske sundhed, står sportens styrende organer over for udfordringen med at anvende nøjagtig og rettidig hjernerystelsesdiagnose for at muliggøre en sikker tilbagevenden til spillet protokol 5,7,8,9. Imidlertid kan hjernerystelsesdetektion udelukkes af atleter, der minimerer eller nægter symptomer for at undgå en hjernerystelsesdiagnose og dermed fremskynde deres tilbagevenden til at spille. Disse handlinger kan potentielt øge deres risiko for Second Impact Syndrome, en tilstand, hvor der dannes hurtigt cerebralt ødem efter en anden hovedskade under hjernerystelsens genopretningsfase10. På grund af manglen på uddannelse omkring hjernerystelsesdiagnose og den variable karakter af dens fysiologiske definition er det ikke ualmindeligt, at SRC ikke rapporteres eller fejldiagnosticeres11. Desværre kan lange perioder med gentagne og uhensigtsmæssigt håndterede hjernerystelser føre til en række kroniske neurologiske svækkelser, såsom kronisk traumatisk encefalopati (CTE), som er stærkt forbundet med SRC 12,13,14.
I et forsøg på at bekæmpe de udfordringer, der er forbundet med SRC, bruger sportsorganisationer en række hjernerystelsesvurderingsværktøjer. Det mest anvendte og tilgængelige værktøj, sports concussion assessment tool (SCAT), er en standardiseret papirtest, der inkorporerer fysiske og kognitive vurderinger i kombination med skaleret symptomrapportering15,16. Tidligere undersøgelser har imidlertid vist, at symptomrapportering er subjektiv og upålidelig ved at identificere kønsforskelle inden for mTBI-grupper og outliers i kontrolgruppen 17,18. Mere avancerede værktøjer, der bruges på professionelt niveau, såsom Immediate Post-Concussion Assessment Tool (ImPACT), der fungerer som en computeriseret neurokognitiv test (CNT), bliver også offer for manipulation, da de kræver aktiv deltagelse og indsats fra atleten. På trods af indbyggede kontroller for manipulation i CNT’er har forskning vist, at de er tilbøjelige til loftseffekter og lider under dårlig pålidelighed19,20. Begrænsningerne i disse eksisterende vurderingsværktøjer i kombination med en mere offentlig forståelse af de betydelige sundhedsmæssige virkninger af SRC har resulteret i et kritisk behov for en objektiv biomarkør, der præcist og rettidigt kan diagnosticere en hjernerystelse.
Et felt, der har vist løfte om at identificere en objektiv biomarkør for hjernerystelse, er elektrofysiologi. Der er nye beviser for, at hændelsesrelaterede potentialer, især visuelle fremkaldte potentialer (VEP), er svækket efter en hjernerystelse21,22. En delmængde af VEP; steady-state visuelt fremkaldte potentialer (SSVEP) er en objektiv, kvantificerbar udsving i elektrisk aktivitet, der forekommer i hjernen som reaktion på et specifikt sæt visuelle stimuli, målt ved elektroencefalogram (EEG) teknologi 23,24. SSVEP tilbyder en forbedret modstandsdygtighed over for støjartefakter og variabel kontaktimpedans til konventionelle VEP-målinger. På grund af den kontrollerede frekvens af den visuelle stimulus er der også en reduktion i synkronicitet mellem EEG-optagelser og stimulus, hvilket resulterer i en mere forenklet elektrisk model 25,26. Denne tilgang er blevet valideret med frekvenser mellem 12-15 Hz-området, hvilket giver et optimalt respons af salience for flimmertype stimuli27. Samlet set betyder disse fordele, at SSVEP tilbyder en mere robust elektrofysiologisk måling, der kan bruges i en ikke-klinisk indstilling såsom sportsbaner og lægekontorer. Denne mulighed for anvendelse på sidelinjen i kombination med teknologiens positive resultater i tidligere litteratur gør den til en lovende kandidat til identifikation af en objektiv biomarkør for SRC.
Målet med denne undersøgelse var at undersøge potentielle forskelle i SSVEP, der blev registreret fra atleter, der blev vurderet af en erfaren sportslæge som sunde, hjernerystede eller kom sig efter en nylig hjernerystelse. Undersøgelsens metode indebar, at 65 mandlige amatørrugbyunionsspillere rutinemæssigt blev vurderet med et bærbart SSVEP-system i løbet af en 18-ugers konkurrencedygtig sæson. Spillerne skal vurderes for en baseline inden påbegyndelsen af træning med fuld kontakt og revurderes inden for 72 timer efter konkurrencedygtige kampe. Spillere, der blev skadet i løbet af sæsonen, blev evalueret for hjernerystelse af holdets læge og revurderet med SSVEP-systemet til post-skade og restitutionsmålinger. Derudover udvider denne undersøgelse sin protokol til at validere bærbart SSVEP-systems evne til at opnå EEG-aflæsninger af forskningskvalitet, der potentielt kan hjælpe med sidelinjens vurdering af SRC.
Dette er den første undersøgelse, der udvikler en protokol, der identificerer forskelle i SSVEP-reaktioner hos raske mandlige amatørrubinunionsspillere i de tre faser af en hjernerystelse; præ-skade (baseline), hjernerystet og genoprettet (figur 1). Metoden omfattede rekruttering og screening af 65 deltagere, der rutinemæssigt blev vurderet med et undersøgende SSVEP-setup i løbet af en konkurrencepræget sæson. Da SSVEP-opsætningen var relativt enkel og bærbar, blev alle vurderinger udført i et ikke-klinisk miljø, hvilket demonstrerede den potentielle anvendelse som en point-of-care hjernerystelsesvurdering. Undersøgelsen viste med succes, at en persons evne til at generere SSVEP’er svækkes efter en diagnosticeret hjernerystelse. Den depressive virkning af en hjernerystelse blev set at aftage efter en defineret restitutionsperiode, som det ses, når SSVEP-værdierne vendte tilbage til et forudbestemt niveau for hver enkelt person. Statistisk analyse mellem deltagergrupperne viste en signifikans i SSVEP-dæmpningseffekterne. Den høje test-retest pålidelighed hos ikke-hjernerystede deltagere fremhævede stabiliteten af den elektrofysiologiske biomarkør i enkle og mere raffinerede bærbare SSVEP-systemer (tabel 2). Derudover validerer den absolutte aftale mellem et SSVEP-system og en traditionel EEG-forstærker teknologien til brug som et medicinsk hjælpemiddel, der er i stand til at opnå EEG-signaler af forskningskvalitet (figur 10).
Da denne undersøgelse var afhængig af, at deltagerne frivilligt meldte sig frivilligt til post-skade samt gentagne vurderinger i rugbysæsonen, måtte der foretages nogle logistiske ændringer af metoden. De estimerede tidsperioder mellem baseline og retests skulle være fleksible for at imødekomme deltagerens tidsplaner. På trods af disse foranstaltninger var nogle spillere stadig tabt for at følge op af en række forskellige årsager, herunder ikke-relaterede skader eller manglende interesse. Dette resulterede i brugen af en mere omfattende statistisk beregning, ICC, for enhedens pålidelighed på tværs af uger. Der blev ikke observeret nogen utilsigtede hændelser i SSVEP-opsætningen. Der opstod nogle logistiske problemer, der krævede mindre ændringer af protokollen: Især langt eller tykt hår viste sig besværligt at få god kontakt mellem headsettet og deltagerens hovedbund. Da dårlig kontakt ville forringe kvaliteten af EEG-aflæsningerne (figur 4), skulle deltagere med langt eller tykt hår børste og holde deres hår op og ud til siden af hovedet, mens sensorerne blev placeret. Et yderligere udelukkelseskriterium blev genereret på grund af dette problem, hvor personer med komplekse frisurer (f.eks. Dreadlocks) blev udelukket fra denne undersøgelse.
Som tidligere beskrevet i dette papir er de nuværende værktøjer til vurdering af hjernerystelse meget subjektive og risikerer manipulation fra en atlet, der i sidste ende kan hindre en klinikers evne til at stille en afgørende vigtig diagnose34. Nogle atletsporingsundersøgelser har forsøgt at undersøge en mere objektiv biomarkør for hjernerystelse ved hjælp af radiologiske modaliteter såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) og computertomografi (CT). Disse metoder giver dog kun information om makroskopiske strukturelle skader såsom blødninger, der afviger fra definitionen af hjernerystelse som en funktionel hjerneskade 6,35. Resultaterne af dette studie understøttes af tidligere undersøgelser, der viste, at VEP er en funktionel biomarkør36, som er svækket eller forsinket i nærvær af hjernerystelse 21,37,38. Mens der er ligheder i disse tidligere VEP-undersøgelsesmetoder med hensyn til vores fysiske opsætning og hypotese, udvider vores undersøgelse litteraturen via brugen af SSVEP over VEP. Desuden varierer protokollen ved at undersøge realtidsvurderinger af spillere i de tre faser af en hjernerystelse sammenlignet med traditionel kontrol vs hjernerystelse. Derudover udvider metoden sin undersøgelseskraft ved at sammenligne innovative og traditionelle EEG-systemer for at skelne mellem potentielle forskelle, der kan begrænse deres nøjagtighed ved opnåelse af objektive elektrofysiologiske målinger. Den protokol, der anvendes i denne undersøgelse, giver således en unik og værdifuld tilføjelse til eksisterende litteratur om objektive hjernerystelsesbiomarkører.
På trods af den overordnede succes med denne protokol er der flere begrænsninger at bemærke. F.eks. blev der konstateret en lille grad af variation i EEG-baggrundsstøj i baggrunden til vurdering, der blev foretaget i umiddelbar rækkefølge. To begrænsninger i protokoldesign kan vise sig at være skyld i denne første variabilitet: den første er 14-kanals EEG-systemets mangel på feedback om impedans i høj kvalitet og løse begrænsninger for virkningerne af træthed og miljøpåvirkning på emnets opmærksomhed. Selvom denne variation inden for deltageren ikke blev set med de andre EEG-systemer, der blev brugt i denne protokol, er det værd at undersøge disse effekter mere detaljeret for at bekræfte, at deres årsag er et resultat af headsettets design og ikke en uidentificeret naturlig forekomst. For det andet havde de fleste deltagere større SSVEP-signaler efter den anden vurdering i forhold til den første (tabel 1). Dette kan være resultatet af, at deltagerne bliver mere fortrolige med vurderingsprocessen og deraf følgende adfærdsmæssige tilpasninger til udstyrsopsætningen, herunder reduceret blink og rastløshed under gentagen stimuluspræsentation. Yderligere undersøgelser er nødvendige for at afgøre, om der faktisk er en fortrolighedseffekt af SSVEP-protokollen, og i så fald hvilke potentielle ændringer der skal foretages for at reducere dens forekomst i fremtidige undersøgelser. Endelig er det vigtigt at bemærke, at på grund af den omfattende afhængighed af frivillige fra en relativt lille population af individer (dem med høj risiko for hjernerystelse med vilje til at blive undersøgt gentagne gange), var denne undersøgelse begrænset til en lille stikprøvestørrelse på 65 deltagere, hvoraf 12 led hjernerystelse. Undersøgelser med en større kohortestørrelse vil være nødvendige for at evaluere robustheden af denne protokols vurdering af hjernerystelse, især dens følsomhed og specificitet. Det ville også være interessant at se denne protokol replikeret i en række aldersgrupper, hvis hjerneudviklingstilstande varierer, fra dem, der stadig udvikler sig (unge) til dem med potentiel kognitiv tilbagegang (ældre) og afgrænser, om lydhørhed adskiller sig væsentligt eller ej. Med hensyn til det forbedrede SSVEP-system fremhævede dets sammenlignende undersøgelse enhedens indbyggede begrænsninger i forhold til traditionelle EEG-systemer. Traditionelle EEG-systemer vedtager generelt det fulde 10-20 montagesystem, som omfatter 21 elektrodesteder (figur 7B). SSVEP-systemet bruger derimod kun tre elektrodekanaler (O1, O2 og Oz) svarende til den visuelle cortex (figur 7A). Denne reduktion i kapacitet betyder, at systemet har et snævrere anvendelsesområde for EEG-applikationer og begrænser den potentielle analyse, der kan udføres på de elektrofysiologiske data, der er opnået inden for denne protokol.
Som tidligere nævnt kræves yderligere forskning for at overvinde begrænsningerne i denne protokol og teste dens styrke på en større kohorte for at vurdere, om dens resultater er i stand til at blive generaliseret. Endnu vigtigere er der behov for yderligere undersøgelser for bedre at forstå de mekanismer, der ligger til grund for vores fund i SSVEP-dæmpning. For eksempel er ændringerne i SSVEP-respons, der findes hos vores hjernerystede deltagere, sandsynligvis repræsentationer af forstyrrelser i neuronal funktion, men det er endnu ikke fastslået, om disse er primære (f.eks. Beskadiget hvidt stof) eller sekundære (f.eks. Neuroinflammatoriske) fænomener. En potentiel fremtidig anvendelse af denne metode er undersøgelsen af genopretningsperioden forbundet med neuronal depression og hjernerystelse individualiseret til emnet. En dybere indsigt i denne restitutionsperiode kan se ændringer foretaget i sports return to play (RTP) regler og forskrifter, der bedre beskytter en skadet atlet. Denne metode introducerer også det praktiske ved et bærbart SSVEP-system, der anvendes i ikke-kliniske omgivelser, såsom en hjernerystelsesvurdering, der leveres hensigtsmæssigt på sidelinjen af en sportsbane. Dette har potentialet til at give betydelig fordel for ikke kun læger, men trænere, atleter og deres respektive familier for at imødegå de negative fysiologiske virkninger af hjernerystelse og Second Impact Syndrome10,11. Genereringen af forbedrede SSVEP-systemer, såsom det bærbare SSVEP-system, der anvendes i denne undersøgelse, kan se mere avanceret udstyr og teknologiske applikationer opstå inden for neurofysiologi og SRC, der vil vise sig at være gavnlige for succesen med fremtidige undersøgelser.
Sammenfattende viste denne protokol sig at være vellykket i sit mål om at identificere SSVEP som en objektiv biomarkør for hjernerystelse hos kontaktsportsudøvere. Undersøgelsen som helhed viser, at SSVEP er signifikant svækket i nærvær af hjernerystelse og er i stand til pålideligt at blive produceret på et forskningskvalitetsniveau gennem et forenklet bærbart EEG-system. Vi foreslår derfor, at SSVEP kan anvendes som supplerende støtte til vurdering af hjernerystelsesskader, navnlig SRC’s sidelinjevurdering. Yderligere undersøgelser med mere raffinerede protokoller, avancerede teknikker og forbedret udstyr kan bygge videre på denne undersøgelse og give kritisk information til bekæmpelse af de skadelige virkninger af hjernerystelse på atleternes liv.
The authors have nothing to disclose.
Det udstyr, der blev brugt i det indledende eksperiment (undersøgende SSVEP), blev leveret af School of Aerospace, Mechanical and Mechatronic Engineering ved University of Sydney. Udstyr, der blev anvendt i sidste halvdel af undersøgelsen, de integrerede SSVEP- og EEG-systemer, blev leveret af HeadsafeIP.
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 |