Eine Untersuchung der Auswirkungen von Sport-bezogene Gehirnerschütterung in Youth Mit Functional Magnetic Resonance Imaging und der Head Impact Telemetrie-System

Dieser Artikel bietet einen Überblick über eine multi-modale Ansatz zur milden traumatischen Hirnverletzung Diagnose und Wiederherstellung in der Jugendarbeit. Dieser Ansatz kombiniert neuropsychologische Tests mit funktioneller Kernspintomographie und der Head Impact Telemetrie-System, um die Beziehung zwischen Kopf Auswirkungen und Aktivität des Gehirns während der kognitiven Tests zu überwachen.

Einer der am häufigsten berichteten Verletzungen bei Kindern, die im Sport teilzunehmen ist eine Gehirnerschütterung oder milde traumatische Hirnverletzungen (mTBI) ^1. Kinder und Jugendliche im organisierten Sport, wie wettbewerbsfähig Hockey beteiligt sind fast sechs Mal häufiger eine schwere Gehirnerschütterung im Vergleich zu Kindern in anderen Freizeit körperliche Aktivitäten ² beteiligt leiden. Während die häufigsten kognitiven Folgen der mTBI ähnlich für Kinder und Erwachsene erscheinen, bleibt die Erholung Profil und Breite der Konsequenzen bei Kindern weitgehend unbekannt ^2, ebenso wie der Einfluss der vor der Verletzung Merkmalen (zB Geschlecht) und Verletzungen Details (z. B. Größe und Richtung der Auswirkungen) auf die langfristigen Ergebnisse. Leistungssport, wie Hockey, damit die seltene Gelegenheit, ein Prä-Post-Design vor, Daten über Verletzungen erhalten, bevor eine Gehirnerschütterung tritt auf die Jugend Eigenschaften und Funktionsweise und dies Ergebnis nach Verletzungen beziehen zu nutzen. Unsere primären Ziele sind für pädiatrische Gehirnerschütterungen Diagnose und Behandlung auf wissenschaftlichen Erkenntnissen, die speziell für Kinder und Jugendliche basiert verfeinern. Dazu verwenden wir neue, multimodale und integrative Ansätze, die:

1. Beurteilen Sie die unmittelbaren Folgen der Kopfverletzungen in der Jugendarbeit
2. Überwachen Sie die Auflösung der Post-Gehirnerschütterung Symptome (PCS) und der kognitiven Leistung während der Wiederherstellung
3. Nutzen Sie neue Methoden, um Hirn-Trauma und Genesung zu überprüfen

Um unsere Ziele zu erreichen, haben wir den Head Impact Telemetrie (HIT) System implementiert. (Simbex; Lebanon, NH, USA). Dieses System rüstet handelsübliche Easton S9 Hockey Helme (Easton-Bell Sports, Van Nuys, CA, USA) mit Einachs-Beschleunigungssensoren entwickelt, um Echtzeit-Kopf Beschleunigungen während des Kontakts sport Teilnahme ³ messen ^{- 5.} Durch die Verwendung von Telemetrie-Technologie kann die Größe der Beschleunigung und Lage aller Kopf Auswirkungen während des Sports Teilnahme objektiv nachgewiesen und dokumentiert werden. Wir verwenden auch die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRI) zu lokalisieren und zu bewerten Veränderungen der neuronalen Aktivität insbesondere in den medialen Temporallappen und Frontallappen bei der Durchführung kognitiver Aufgaben, da diese die Hirnregionen am empfindlichsten auf concussive Kopfverletzung ⁶ sind. Schließlich erwerben wir strukturelle Bildgebung Daten empfindlich gegen Beschädigungen im Gehirn der weißen Substanz.

1. Beziehen Pre-Verletzungen neuropsychologische Baseline Profile auf Subject

1. Vor der Ankunft Thema für die Prüfung, sicherzustellen, dass alle Geräte ordnungsgemäß funktioniert und zum Testen bereit und das Zimmer ist frei von unnötigen Ablenkungen.
2. Nach der Überprüfung der Eltern und unter Zustimmung zu messen und aufzuzeichnen Thema Größe, Gewicht und Kopfumfang.
3. Verwalten Gleichgewicht Beurteilung während Thema auf Kraftmessplatte stehen in der folgenden Reihenfolge von Bedingungen: A1 - auf Kraftmessplatte, die Augen zu öffnen; A2 - auf Kraftmessplatte, die Augen geschlossen; A3 - auf Kraftmessplatte während des Tragens der visuellen Konflikt Kuppel.
4. Legen Sie AirexBalance-pad auf der Kraftmessplatte und wiederholte Gabe von Gleichgewichts-Bedingungen (A1-A3) mit dem Thema stand auf der Oberseite des AirexBalance-pad und Kraftmessplatte kombiniert.
5. Messen und notieren Handkraft und zu verwalten, die gerillten pegboard Test sowohl für die linke und rechte Hand.
6. Verwalten der Sprung-Test auf der Sprungmatte, zunächst aus einer Hockstellung dann die Gegenbewegung, Abschluss-3-Studien für jede Position.
7. Conduct Bein maximalen willkürlichen Kontraktion Test mit der Kraftmessplatte und Stärke bar.
8. Verwalten neuropsychologische Testbatterie in der folgenden Reihenfolge nach Einschätzung Manuelle Anleitung: Post-Gehirnerschütterung Symptom Scale-Revised; Child Mood Checkliste Self-Report; Waterloo Händigkeit Questionnaire; Rey Complex Figure Test: Kopieren Testversion; Verbal Fluency Test; Rey Complex Figure Test: Sofortige Recall Studie, Verbal Arbeitsgedächtnisaufgabe; Rey Auditory Verbal Learning Test; Rey Complex Figure Test: Delayed Recall Studie; Rey Complex Figure Test: Recognition Prozess; Stroop Farb-und Word-Test; Symbol Digits Modalitäten Test; Kinder Farbe Trails Test; Visuelle Arbeiten Gedächtnisaufgabe; Rey Auditory Verbal Learning Test: Delayed Recall; Rey Auditory Verbal Learning Test: Recognition Prozess; Kinder-Paced Auditive Serielle Achtung Task (siehe Abbildung 1 für eine Darstellung der verbalen und visuellen Arbeitsgedächtnis-Aufgaben).
9. Ergebnis neuropsychologischen Tests nach der entsprechenden Prüfung Bedienungshinweise gegebenenfalls.
10. Geben Sie alle Testergebnisse in eine Datenbank.

2. Acquiring Strukturelle und funktionelle MRT Baseline Bilder auf Subject

1. Vor Beginn des Tests, die Durchführung einer MRT-Screening-Interview per Telefon, um sicherzustellen, Teilnehmer können sicher durchlaufen eine MRI.
2. Bei der Ankunft für ihre Test-Tagung, die Einwilligung / Zustimmung Form mit dem Thema und ihre Eltern (s), wiederholen Sie die MRT-Screening, eine gründliche Orientierung und Überblick über die MRT-Gerät und Experiment in einer ihrem Alter angemessenen Weise. Fragen Sie, ob das Thema Fragen hat.
3. Haben Thema entfernen Sie alle Metall-Schmuck, Accessoires und Gegenstände aus den Taschen.
4. Demonstrieren Sie, wie unter auf Reize während des Arbeitsgedächtnisaufgabe durch den Einsatz von Lumitouch Paddel (ein MRI-sicher 'Maus' mit linken und rechten Tasten nur) präsentiert reagieren.
5. Haben das Thema einfügen Ohrstöpsel.
6. Haben das Thema liegen auf Scanner-Bett.
7. Positionieren Sie den Kopf in die Kopfspule und Stabilisierung des Kopfes mit Schaumstoff-Einlagen und eine Erinnerung Riemen über der Stirn. Sollte der Teilnehmer Korrekturgläsern an den Computer-Bildschirm sehen müssen, passen sie mit MRI-kompatiblen Brillen mit den entsprechenden verschreibungspflichtigen Stärke.
8. Bewegen Sie den Scanner-Bett in den Scanner.
9. Legen Sie Videoleinwand außerhalb Bohrung des Scanners und orientieren unterliegen auf Kopfspule wo die Arbeitsgedächtnisaufgabe projiziert werden Spiegel.
10. Erhalten T1-gewichteten strukturellen Bild mit 3D-verwöhnte Farbverlauf mit Inversion Vorbereitung (3D SPGR-IRprep) (siehe Tabelle 1 für eine vollständige Beschreibung der Scan-Parameter).
11. Verwalten Sie die Arbeitsgedächtnisaufgabe sammeln und funktionelle MRT-Bilder mit single-shot T2 *- gewichtete Bildgebung mit Spirale in / out-Anzeige ^7.
12. Erhalten FLAIR Bild.
13. Erhalten PD/T2 Wichtung mit Dual-Echo schnelle Spin-Echo (2D-FSE-XL) mit ASSET. ASSET wird ausgeschaltet, wenn der weißen Substanz Hyperintensitäten auf FLAIR Bild zu sehen sind eingeschaltet.
14. Erhalten T2 *- gewichteten strukturellen Bilder mit Gradienten-Echo erinnert (GRE).
15. Erhalten 2-Diffusion Tensor Imaging (DTI) Datensätze (3, wenn es die Zeit erlaubt) mit single shot Echo-Planar-Bildgebung mit Dual-Spin-Echo.
16. Entfernen Sie unterliegen vom Scanner.

3. Erfassung der Stärke und Richtung der Hits auf der Leiter mit dem Head Impact Telemetrie (HIT) System

1. Besorgen Sie sich eine gute Passform für die Eishockey-Helm auf dem Kopf der.
2. Entfernen Sie die Batterien aus Helm und vollständig laden, dann zu Helm zurück.
3. Stellen Sie sicher, dass die Helme und HIT-System sind Senden und Empfangen von Daten, beziehungsweise vor der Erfassung Spieldaten.
4. Sammeln von Daten während des Spiels, recording jedes Hockey Periode zu stoppen und die Startzeit.
5. Senden von Daten für die Bearbeitung via Sync-Mechanismus, um Simbex mit Internetanschluss.

4. Performing Post-mTBI Neuropsychologische Follow-up Tests

1. Am selben Tag, als eine Verletzung Bericht empfangen wird, runden das Hit Injury Report Form mit der Muttergesellschaft in die klinische und funktionelle Details bezüglich der Verletzung zu erhalten.
2. Verwalten Sie die PCS-R zu unterwerfen und zu bestimmen aktuellen Schwere der Symptome.
3. Etwa Tag 1 nach der Verletzung: Verwaltung PCS-R. Wenn die Symptome ungelöst sind (dh nicht auf das Ausgangsniveau zurück), nicht verwalten voller neuropsychologische Testbatterie.
4. Wenn unter den Symptomen zu ermöglichen, runden das Gleichgewicht Beurteilung (siehe 1.3 und 1.4) und Sprung-Test (siehe 1.6).
5. Wenn unter den Symptomen zu ermöglichen, verwalten Bein maximalen willkürlichen Kontraktion Test (siehe 1.7).
6. Wenn erlauben unterliegen die Symptome einmal physikalische Prüfung abgeschlossen ist, die Verwaltung der verbalen und visuellen Arbeitsgedächtnisses Aufgabe.
7. Fahren Sie mit dem PCS-R zu verabreichen, bis die Symptome abgeklungen sind (dh Rückkehr zu den Ausgangswerten) nach dem Zeitplan in Tabelle 2 dargestellt.
8. Etwa Tag 5 nach der Verletzung: Verwaltung PCS-R. Wenn die Symptome sind ungelöste wiederholen Prüfablauf vor (siehe 4,3 bis 4,6).
9. Wenn die Symptome noch nach 7 Tagen nach der Verletzung ungelöst, weiterhin PCS-R wöchentlich zu verabreichen, bis die Symptome verschwinden.
10. Bei Patienten, deren Symptome abgeklungen sind, wiederholen Sie die Schritte 1,2 bis 1,9.
11. Gehen Sie zur strukturellen und funktionellen MRI Follow-up-Scan-Sitzung (siehe Abschnitt 5).

5. Acquiring Strukturelle und funktionelle MRT-Post-mTBI Follow-up Bilder

1. Schedule Thema für Follow-up-Scan-Sitzung innerhalb von 72 Stunden nach der Verletzung.
2. Wiederholen Sie die Schritte 2,2-2,16 oben aufgeführt sind.
3. Wenn die Symptome zum Zeitpunkt der ersten ungelöste Follow-up-Scan-Sitzung, planen ein zweites Follow-up-Scan-Sitzung einmal Symptome beendet und wiederholen Sie die Schritte 2,2-2,16 wie oben aufgeführt.

6. Performing Matched Kontrolle zu unterwerfen Neuropsychologische Follow-up Tests

1. Untersuchen Alters (dh Jahre und Monate) aller Patienten wurden in Experiment und eine Liste der möglichen Alter und Geschlecht angepassten Kontrollpersonen nach Geburtsdaten entsprechend innerhalb von 3 Monaten in der gleichen Kalenderjahr für jedes mTBI Thema.
2. Kontakt Kontrollpersonen und Zeitplan Testfahrten.
3. Replicate Testprotokoll auf den gefundenen mTBI unterliegen in Bezug auf das Timing und die Zahl der Follow-up-Sitzungen. Wiederholen Sie die Schritte 1,2-1,16 oben, wie angegeben. Zum Beispiel, wenn die mTBI unterliegen die Symptome innerhalb von 24 Stunden gelöst wurden und sie erst dann abgeschlossen eine Follow-up Test-Session, dass die gesamte neuropsychologische inklusive Batterie, dann replizieren dieses Protokoll mit den passenden Kontrolle zu unterwerfen.
4. Gehen Sie zur strukturellen und funktionellen MRI Follow-up-Scan-Sitzung (siehe Abschnitt 7).

7. Acquiring Strukturelle und funktionelle MRT Matched Kontrolle zu unterwerfen Images

1. Wiederholen Sie die Schritte 2,2-2,16 oben aufgeführt sind.
2. Wenn die Kontrolle zu unterwerfen ist, eine mTBI Subjekt, zwei abgeschlossene abgestimmt Follow-up Scanning-Sitzungen aufgrund ungelöster Symptome, planen eine zweite Test-Session Matching das Zeitintervall zwischen den einzelnen Sitzungen (dh die Zahl der Tage) und wiederholen Sie die Schritte 2,2-2,16 wie oben aufgeführt.

8. Daten-Analysen

1. Berechnen Sie deskriptive Statistiken (Mittelwert und Standardabweichung) für Größe und Anzahl der Besucher auf dem Kopf für jeden Spieler ab dem HIT-System erhalten, Normalisierung von Daten pro Spieler pro Spiel.
2. Berechnen Sie die Änderung des Gastes von der Grundlinie für jeden neuropsychologischen Test-Ergebnis über alle mTBI und Kontrollpersonen.
3. Führen Sie eine abgestimmte Proben t-Test mit Gruppe wie die zwischen Subjekten Faktor (dh mTBI versus Kontrolle) und ändern Sie in neuropsychologischen Tests Leistung als abhängige Variable, um die Wirkung von mTBI auf neuropsychologische Funktionen zu analysieren.
4. Verwenden Sie die klinischen PD/T2-weighted Bildmengen zu Whole-Brain volumetrische Maßnahmen zur globalen Schwellungen im Gehirn sofort nach mTBI messen zu generieren.
5. Für jede mTBI unterliegen, sind die T1-gewichteten Bildern verwendet werden, um fokale Veränderungen im Gewebe Volumen mit zwei kostenfreien Berechnungen der nichtlinearen Verformung Felder zu berechnen. Zuerst registrieren Baseline-Scans zu jedem der Follow-up-Scans. Zweitens Berechnung der Verformung zwischen zwei aufeinander folgenden Paaren von Scans, um kurzfristige Scan-to-scan Unterschiede zu erfassen.
6. Korrigieren Sie die DTI-Daten für Wirbelstrom-Verzerrungen und Kopfbewegung, und richten Sie die Gradientenrichtungen vor der Berechnung der Diffusions-Tensor-Parameter. Für mTBI versus Nicht-mTBI Gruppe untersucht, die Methode der Trakt-basierte räumliche Statistik (TBSS), die kürzlich von der Oxford-Gruppe ⁸ eingeführt.
7. Identifizieren Sie alle weißen Substanz Hyperintensitäten auf der FLAIR Bildern und Mikroblutungen auf der GRE Bilder Regionen normal erscheinenden weißen Substanz von denen, die Schäden nach mTBI ⁹ erfahren haben, zu trennen. Mit diesen Standorten auf quantitative Maßnahmen von DTI (Fractional Anisotropie, FA, meine Diffusivität, D, und radialer Diffusion, DR) abgeleitet extrahieren.
8. Für die DTI-Analysen korrelieren TBSS Voxelwerte mit dem HITS telemetery Daten (zB Größe und Anzahl der Besucher auf dem Kopf), mit der multivariaten Partial Least Squares-Analyse-Methode ^{von 10 bis 13.} Partial Least Squares (PLS) ist eine multivariate Technik, die Whole-Brain Handlungsmuster, die mit experimentellen Bedingungen oder Verhalten variieren identifizieren können.
9. Pre-Prozess fMRI Bildern über räumliche Koregistrierung zu einem frühen fiducial Volumen aus dem ersten abbildenden ausführen, um für die Kopfbewegung zu korrigieren, durch eine 3D-Fourier-Transform-Interpolation an.
10. Räumlich normalisieren motion-korrigierter Bilder, um eine in-house fMRI Spirale Vorlage mit einem 12-Parameter affine Transformation mit sinc-Interpolation und glatt mit einem Gauß-Filter von 6 mm voller Breite-at-halbmaximale, um das Signal-Rausch-Erhöhung Verhältnis.
11. Entfernen Sie die ersten fünf Bände Bild in jedem Lauf, in dem transienten Signal ändert sich wie Gehirn Magnetisierung einen stabilen Zustand erreicht auftreten.
12. Führen Sie univariate Analysen mit Hilfe von statistischen Parametric Mapping 2 (SPM2), wo Vektoren identifizieren das Bild entsprechend dem Beginn der Zeit der jeweiligen Veranstaltung mit den hämodynamischen-Response-Funktion (HRF) gefaltet werden und in eine Voxel-weise multiple lineare Regression ^14.
13. Compute Parameterschätzungen für jede der Kovariablen, welche Änderungen in BOLD-Signal pro Ereignis-Typ, im Vergleich zum Ausgangswert zu reflektieren.
14. Verwenden Sie Voxel-Level-t-Statistiken, um Kontraste zu vergleichen Aktivität Hirnregionen, die unterschiedlich über Aufgaben (z. B. Arbeitsspeicher im Vergleich zur Kontrollgruppe Aufgabe) und Gruppen (z. B. mTBI im Vergleich zur Kontrollgruppe) beschäftigt sind durchzuführen.
15. Kombinieren Sie Informationen aus der HIT-System (dh die durchschnittliche Höhe der Kopf Auswirkungen für jeden Spieler) mit strukturellen und funktionellen Bildgebung Daten. Zur Beurteilung dieser Zusammenhänge, verwenden PLS-Analyse.
16. Verwenden Sie die durchschnittliche Größe des Kopfes Auswirkungen für jeden Spieler eine Verhaltens-PLS, welche die durchschnittliche Größe der Unterschiede in der Hirnaktivität Muster während die Leistung auf den Arbeitsspeicher Aufgabe beziehen laufen.

9. Repräsentative Ergebnisse

Head Impact Telemetrie-System

Tabelle 3 stellt quantitative Daten für die entsprechenden Auswirkungen in Abbildung 2 dargestellt aufgezeichnet. Peak-lineare Beschleunigung ist die maximale lineare Beschleunigung der den Kopf eines Spielers während des Aufpralls. Die Einheiten sind g ist. A g ist die Erdbeschleunigung auf Meereshöhe (9,8 Meter pro Sekunde zum Quadrat). Peak-Drehbeschleunigung ist die maximale Drehbeschleunigung den Kopf eines Spielers während des Aufpralls. Die Geräte sind Bogenmaß pro Sekunde im Quadrat. Azimuth ist ein Maß für Auswirkungen Lage. Azimuth ist von -180 ° bis 180 ° mit 0 ° an der Rückseite des Kopfes und positive Azimut auf der rechten Seite des Kopfes definiert. Elevation ist die andere Maßnahme der Auswirkungen Lage. Elevation von 0 ° (horizontal verlaufenden Ebene durch den Kopf des Schwerpunktes) bis 90 ° (Scheitel) definiert.

Functional MRI

Abbildung 3 zeigt serielle fMRI ergibt sich aus a) eine Gehirnerschütterung erlitten Athleten mit Abklingen der klinischen Symptome und b) ohne Abklingen der klinischen Symptome. Hinweis: aufgabenbezogene Hirnaktivitäten im vorderen Bereich sind eindeutig nur bei Sportlern mit Abklingen der klinischen Symptome beobachtet.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der extern bestellte Arbeitsgedächtnisaufgabe.

Abbildung 2. Beispiel für HIT-System Daten-Schnittstelle, welche Richtungsvektoren auf der der Standort für die sechs Treffern in Tabelle 3 beschrieben. Simbex 2006.

Abbildung 3. Serial-fMRI Ergebnisse aus a) eine Gehirnerschütterung erlitten Athleten mit Abklingen der klinischen Symptome und b) ohne Abklingen der klinischen Symptome. PCS = post-Gehirnerschütterung Symptome; n = Anzahl der Probanden; ▲ BOLD = Veränderung in Blutoxygenierung level dependent Signal; DLPC = dorsolateralen präfrontalen Kortex.

Tabelle 1. Details zu Scan-Parameter für die klinische und funktionelle MR-Sequenzen bei 3T.

¹ TE (Echozeit); TR (Repetitionszeit); TI (Inversion der Zeit); FA (Flip-Winkel)
² FOV (field of view)
³ NEX (Anzahl der Anregungen)

Tabelle 2. Verwaltung neuropsychologische Maßnahmen für alle Fächer.

Hinweis: Jedes einzelne Gehirnerschütterung Thema wird mit orthopädischen und keine Verletzung der Kontrollgruppe zugeordnet werden. Die Probanden werden die Maßnahmen für den gleichen Zeitraum wie die Gehirnerschütterung unterliegen sie aufeinander abgestimmt sind, verabreicht werden. Zum Beispiel, wenn eine Gehirnerschütterung Proband Auflösung von PCS Symptome am Tag 14, eine orthopädische Kontrolle unterliegen sowie keine Verletzung Kontrolle unterliegen würde auch die vollständige neuropsychologische Beurteilung am Tag 14 (dh behandelt, als ob ihr "PCS" Abklingen der Symptome verabreicht werden am Tag 14), um Spiel Datenpunkte.

Tabelle 3. Stichprobe von Daten von einem Spieler mit einem Helm gesammelt.

Wir gehen davon aus, dass diejenigen Jugendlichen, die den größten Einfluss auf das Gehirn der weißen Substanz zeigen, wird die größte Umstrukturierung der Hirnaktivität und die längste Verhaltens-und neuronale Erholungsphasen zeigen. Diese Forschung wird zu einem besseren Verständnis der Kinder-Post-Gehirnerschütterung Veranstaltungen und haben einen erheblichen Einfluss auf die medizinische Versorgung, wie es uns ermöglichen wird, eine Recovery-Protokoll auf wissenschaftlichen Erkenntnissen, die speziell für Kinder und Jugendliche basiert etablieren. Ein solches Protokoll kann dann die Akteure, einschließlich der Eltern, Trainern und Ärzten umgesetzt werden. Um diese Ziele zu erreichen, werden wir charakterisieren und zu quantifizieren weitere der neuropsychologischen und neuronale Folgeerscheinungen in Gehirnerschütterung pädiatrischen Athleten. Wir messen auch kognitive Verbesserungen und Veränderungen in der Struktur des Gehirns und Aktivitätsmuster, die Verhaltens-Erholung zu begleiten. Darüber hinaus wird die Studie einen neuen Blick auf die Auswirkungen der Gehirnerschütterung und wiederholte Nicht-concussive Kopf Auswirkungen auf die langfristige Plastizität des Gehirns und die Entwicklung in der Jugendarbeit.

Wir möchten den Canadian Institutes of Health Research (CIHR) und dem Ontario Neurotrauma Foundation (ONF), die Finanzierung für diese Forschung zur Verfügung gestellt haben, danken.