Una investigación de los efectos de la conmoción cerebral relacionado con el deporte en la juventud, recurriendo a imágenes de resonancia magnética y el sistema de impacto de la cabeza de telemetría

Este artículo proporciona una visión general de un enfoque multi-modal de diagnóstico leve lesión cerebral traumática y la recuperación de la juventud. Este enfoque combina las pruebas neuropsicológicas con resonancia magnética funcional y el impacto de la cabeza del sistema de telemetría para monitorizar la relación entre los impactos en la cabeza y la actividad cerebral durante las pruebas cognitivas.

Una de las lesiones más frecuentes en los niños que participan en el deporte es una conmoción cerebral o lesión cerebral traumática leve (MTBI) ^1. Niños y jóvenes que participan en deportes organizados como el hockey competitivo son casi seis veces más probabilidades de sufrir una conmoción cerebral severa en comparación con los niños que participan en otras actividades de ocio físico ^2. Aunque las secuelas cognitivas más comunes de la MTBI parecen similares para niños y adultos, el perfil de recuperación y la amplitud de las consecuencias en los niños sigue siendo desconocida ^2, al igual que la influencia de las características antes de la lesión (de género, por ejemplo) y los detalles de la lesión (por ejemplo, magnitud y dirección de impacto) sobre resultados a largo plazo. Los deportes de competencia, como el hockey, permite la rara oportunidad de utilizar un diseño pre-post para obtener los datos antes de la lesión antes de conmoción cerebral se produce en las características de la juventud y el funcionamiento y relacionar este resultado heridas después de que. Nuestros principales objetivos son perfeccionar el diagnóstico conmoción cerebral pediátrica y de gestión basado en la evidencia científica que es específica para niños y jóvenes. Para ello, utilizar nuevos enfoques, multimodal e integrador que:

1. Evaluar los efectos inmediatos del trauma en la cabeza en la juventud
2. Monitor de la resolución de los síntomas post-conmoción cerebral (PCS) y el rendimiento cognitivo durante la recuperación
3. Utilizar nuevos métodos para verificar la lesión cerebral y la recuperación

Para lograr nuestros objetivos, hemos implementado la telemetría impacto de la cabeza (HIT) del sistema. (Simbex, Lebanon, New Hampshire, EE.UU.). Este sistema equipa disponibles en el mercado Easton S9 cascos de hockey (Easton-Bell Sports, Van Nuys, CA, EE.UU.) con un solo eje acelerómetros diseñados para medir en tiempo real de las aceleraciones en la cabeza durante la participación en deporte de contacto ^{3 - 5.} Mediante el uso de la tecnología de telemetría, la magnitud de la aceleración y la ubicación de todos los impactos en la cabeza durante su participación en el deporte puede ser objetivamente detectado y registrado. También utilizamos la resonancia magnética funcional (fMRI) para localizar y evaluar los cambios en la actividad neuronal en particular en los lóbulos frontal y temporal durante la ejecución de tareas cognitivas, ya que son las regiones cerebrales más sensibles a la lesión en la cabeza conmoción ^6. Por último, se están adquiriendo los datos de imagen estructural sensibles al daño en la sustancia blanca del cerebro.

1. Obtener antes de la lesión perfil básico de Neuropsicología en el Asunto

1. Antes de someter a llegar para la prueba, asegúrese de todo el equipo está funcionando correctamente y listo para la prueba y que la habitación esté libre de distracciones innecesarias.
2. Después de revisar consentimiento de los padres y el sujeto, medida y la circunferencia de individuo del registro de la altura, el peso y la cabeza.
3. Administrar la evaluación de mantener el equilibrio mientras está de pie sobre la plataforma de fuerza en el siguiente orden de condiciones: A1 - en la plataforma de fuerza, los ojos abiertos; A2 - en la plataforma de fuerza, los ojos cerrados; A3 - en la plataforma de fuerza mientras que usa la cúpula conflicto visual.
4. Lugar AirexBalance-pad en la parte superior de la placa de la fuerza y ​​la administración repetida de las condiciones de evaluación del balance (A1-A3) con el soporte de sujeción en la parte superior de la placa AirexBalance-pad y la fuerza combinada.
5. Medir y registrar la fuerza de prensión y administrar la prueba de lámina de cartón acanalado, tanto para las manos derecha e izquierda.
6. Administrar la prueba de salto en la colchoneta de salto, primero desde una posición de cuclillas después de la contra-movimiento, completando tres ensayos para cada posición.
7. Llevar a cabo la pierna máxima prueba de la contracción voluntaria con la placa de la fuerza y ​​la barra de fuerza.
8. Administrar la batería de pruebas neuropsicológicas en el siguiente orden de acuerdo a la Evaluación de Manual de Instrucciones: Después de la conmoción cerebral Síntomas Scale-Revised, del estado de ánimo del niño lista de auto-informe; Cuestionario Waterloo lateralidad; prueba figura compleja de Rey: copia de prueba, prueba de fluidez verbal; prueba figura compleja de Rey: Prueba la memoria inmediata, verbal Tareas de Trabajo Memoria, Rey pruebas Auditory Verbal Learning; prueba Rey figura compleja: Trial retraso de la recuperación; prueba Rey figura compleja: prueba de reconocimiento, de color de Stroop y la prueba de la Palabra, símbolo de Dígitos Prueba Modalidades color para niños Senderos de prueba; de Trabajo Visual tarea de memoria; Rey pruebas Auditory Verbal Learning: retraso de la recuperación; prueba Rey Auditory Verbal Learning Test: prueba de reconocimiento, de trabajo infantil a ritmo auditivo serie atención (ver Figura 1 para ver una ilustración de las tareas de memoria verbal y visual de Trabajo).
9. Puntuación neuropsicológicas pruebas siguiendo las instrucciones del manual correspondiente prueba en su caso.
10. Introduzca todos los resultados de las pruebas en la base de datos.

2. La adquisición de imágenes de resonancia magnética estructural y funcional de referencia en el Asunto

1. Antes de la sesión de evaluación, realizar una entrevista de detección de MRI por teléfono para asegurar los participantes pueden someterse a una resonancia magnética.
2. Al llegar a su sesión de pruebas, revisión de consentimiento / asentimiento forma con el sujeto y su padre (s), repetir el examen MRI, proporcionan una orientación completa y una visión general de la máquina de resonancia magnética y experimentar de una manera apropiada a la edad. Pregunte si el sujeto tiene alguna pregunta.
3. Tiene sujeto quitarse todas las joyas de metal, accesorios y objetos de los bolsillos.
4. Demostrar cómo sujeto es responder a los estímulos presentados durante la tarea de memoria de trabajo mediante el uso de paletas Lumitouch (una resonancia magnética de seguridad "ratón" con los botones izquierdo y derecho).
5. Tienen los tapones de inserción tema del oído.
6. Que el sujeto se acueste en la cama del escáner.
7. La posición de la cabeza en la bobina de la cabeza y estabilizar la cabeza con espuma y una correa de recordatorio en la frente. Si el participante necesita lentes correctivos para ver la pantalla del ordenador, que encajen con la resonancia magnética compatible con gafas, con la fuerza de la prescripción apropiada.
8. Mover el escáner en el escáner.
9. Coloque la pantalla de video fuera del explorador y llevaba sujeta orientar a reflejar en el serpentín de la cabeza donde se realizará la tarea de memoria de trabajo proyectado.
10. Obtener T1 ponderado imagen estructural con gradiente estropeado 3D con la preparación de la inversión (3D-SPGR IRprep) (ver Tabla 1 para una descripción completa de los parámetros de análisis).
11. Administrar la tarea de memoria de trabajo y recoger imágenes de resonancia magnética funcional con un solo disparo T2 *- ponderado imágenes con una espiral de entrada / salida de lectura ^7.
12. Obtener la imagen FLAIR.
13. Obtener PD/T2 imagen ponderado por el doble eco de spin eco rápido (2D-FSE-XL) con ACTIVOS. ACTIVOS éste se desactiva si hiperintensidad de la materia blanca se ve en la imagen FLAIR.
14. Obtener T2 *- ponderado imágenes estructurales con gradiente recordó eco (GRE).
15. Obtener 2 por tensor de difusión (DTI) de datos (3, si el tiempo lo permite), utilizando solo tiro eco-planar de imágenes con el eco de doble vuelta.
16. Retire al paciente del escáner.

3. Grabación de la fuerza y ​​la dirección de golpes a la cabeza con el impacto de la cabeza de telemetría (HIT) Sistema

1. Obtener un ajuste adecuado para el casco de hockey en la cabeza del sujeto.
2. Retire las pilas del casco y carga completa, y luego volver al casco.
3. Asegúrese de que los cascos y el sistema HIT son transmitir y recibir datos, respectivamente, antes de la recogida de datos del juego.
4. Recoger datos durante el juego, recording cada período de hockey detener e iniciar el tiempo.
5. Enviar datos para su procesamiento a través del mecanismo de sincronización para Simbex con conexión a Internet.

4. Realización de Post-MTBI neuropsicológica Pruebas de seguimiento

1. El mismo día, como un parte de lesiones que se recibe, completar el Formulario de Informe de Lesiones Hit con los padres para obtener datos clínicos y funcionales con respecto a la lesión.
2. Administrar el sistema PCS-R al sujeto y determinar la gravedad de los síntomas actuales.
3. Aproximadamente un día después de la lesión: administrar PCS-R. Si los síntomas no se han resuelto (es decir, no han vuelto a los niveles de referencia), no administre la batería completa de pruebas neuropsicológicas.
4. Si los síntomas del sujeto lo permitan, completar la evaluación del balance (ver 1.3 y 1.4) y la prueba de salto (ver 1.6).
5. Si los síntomas del sujeto lo permitan, administrar la pierna máxima prueba de contracción voluntaria (ver 1.7).
6. Si los síntomas del sujeto permiten el análisis físico, una vez se haya completado, administrar el verbal y visual tarea de memoria de trabajo.
7. Continuar administrando el PCS-R hasta que los síntomas hayan desaparecido (es decir, volver a los niveles de referencia) de acuerdo con el calendario descrito en la Tabla 2.
8. Aproximadamente 5 días después de la lesión: administrar PCS-R. Si los síntomas son la secuencia sin resolver repetición de la prueba anterior (se refieren a un 4,3 a 4,6).
9. Si los síntomas siguen sin resolverse después de 7 días después de la lesión, continuará administrando PCS-R semana hasta que desaparezcan los síntomas.
10. Para los sujetos cuyos síntomas se hayan resuelto, repita los pasos 1,2 a 1,9.
11. Proceder a la estructural y la resonancia magnética funcional sesión de seguimiento de exploración (véase la Sección 5).

5. La adquisición de resonancia magnética estructural y funcional después de la MTBI Seguimiento de Imágenes

1. El calendario está sujeto a un seguimiento sesión de exploración dentro de 72 horas después de la lesión.
2. Repita los pasos 2.2-2.16 mencionadas anteriormente.
3. Si los síntomas no se han resuelto en el momento de la primera sesión de seguimiento de exploración, programar una segunda sesión de seguimiento de exploración vez que los síntomas se resuelven y repita los pasos 2.2-2.16 las enumeradas anteriormente.

6. Realización de control de sujetos coincidentes neuropsicológica Pruebas de seguimiento

1. Examine las edades (es decir, años y meses) de todos los sujetos incluidos en el experimento y generar una lista potencial de la edad y el género-los sujetos de control de acuerdo a las fechas de nacimiento que corresponde a menos de 3 meses en el mismo año calendario para cada tema MTBI.
2. Póngase en contacto con los sujetos de control y horario de sesión de pruebas.
3. Replicar el protocolo de pruebas con el tema MTBI emparejado con respecto a la frecuencia y el número de sesiones de seguimiento. Repita los pasos anteriores 1.2-1.16, según lo indicado. Por ejemplo, si los síntomas del sujeto MTBI fueron resueltos en 24 horas y que sólo se completó una sesión de seguimiento de pruebas que incluyen la batería neuropsicológica completa, y luego replicar este protocolo con el tema de control emparejados.
4. Proceder a la estructural y la resonancia magnética funcional sesión de seguimiento de exploración (consulte la sección 7).

7. La adquisición de resonancia magnética estructural y funcional combinado de imágenes sujeto de control

1. Repita los pasos 2.2-2.16 mencionadas anteriormente.
2. Si el sujeto de control se corresponde a un sujeto MTBI que completaron dos sesiones de seguimiento de exploración debido a los síntomas sin resolver, programar una sesión de pruebas de segunda coincida con el intervalo de tiempo entre las sesiones (es decir, número de días) y repita los pasos 2.2 hasta 2.16 como se indica anteriormente.

8. Los análisis de datos

1. Calcular las estadísticas descriptivas (media y desviación estándar) de la magnitud y el número de golpes a la cabeza de cada jugador como obtenidos del sistema HIT, la normalización de los datos de cada jugador por partido.
2. Calcular la puntuación de cambio de referencia para cada calificación en las pruebas neuropsicológicas en todos los MTBI y los sujetos de control.
3. Realizar una prueba de muestras pareadas t-con el grupo como el factor entre sujetos (es decir, MTBI control frente) y el cambio en el rendimiento de las pruebas neuropsicológicas como la variable dependiente para analizar el efecto de la MTBI en la función neuropsicológica.
4. Usar la imagen clínica PD/T2-weighted conjuntos para generar todo el cerebro medidas volumétricas para medir la inflamación en el cerebro mundial inmediatamente después de la MTBI.
5. Para cada tema MTBI, las imágenes potenciadas en T1 se utilizan para calcular los cambios focales en el volumen de tejido mediante dos cálculos de cortesía de los campos de deformación no lineal. En primer lugar, registrar las exploraciones de referencia a cada una de las exploraciones de seguimiento. En segundo lugar, se calcula la deformación entre pares consecutivos de exploraciones, para capturar a corto plazo de escaneado a analizar las diferencias.
6. Corregir los datos DTI de corrientes de Foucault y de las distorsiones de movimiento de la cabeza, y reorientar la dirección del gradiente antes de calcular los parámetros del tensor de difusión. Para MTBI versus no-MTBI estudios de grupo, utilice el método de las vías basadas en la estadística espacial (TBSS), presentado recientemente por el grupo de Oxford ^8.
7. Identificar cualquier hiperintensidad de sustancia blanca en el FLAIR y microhemorragias en las imágenes de GRE para separar las regiones de la materia normal que aparece blanco de aquellos que han sufrido daños después de la MTBI ^9. Utilice estos sitios para obtener medidas cuantitativas derivadas de DTI (anisotropía fraccional, FA, difusividad decir, D, y la difusividad radial, DR).
8. Para los análisis de DTI, se correlacionan los valores TBSS voxel con los datos telemetery HITS (es decir, la magnitud y el número de golpes a la cabeza), utilizando el método de cuadrados mínimos parciales de análisis multivariante de ^{10 a 13.} Partial Least Squares (PLS) es una técnica multivariable que puede identificar todo el cerebro los patrones de actividad que depende de las condiciones experimentales o de comportamiento.
9. Proceso de pre-imágenes de resonancia magnética funcional a través de corregistro espaciales a un volumen fiduciales temprano de la imagen ejecuta por primera vez para corregir los movimientos de la cabeza, seguida de una interpolación de la transformada de Fourier 3D.
10. Espacialmente normalizar corregido movimiento las imágenes de una plantilla de espiral en la casa de resonancia magnética funcional con un afín de 12 parámetros de transformación con la interpolación sinc y suave con un filtro Gaussiano de 6 mm de ancho completo-en-medio-máximo para aumentar la relación señal-ruido relación.
11. Retire los cinco primeros volúmenes de la imagen en cada serie, en la que los cambios transitorios de la señal se producen como magnetización cerebro alcanza un estado estacionario.
12. Realizar análisis univariado utilizando Statistical Parametric Mapping 2 (SPM2) donde los vectores identificación de la imagen correspondiente al tiempo de inicio de cada evento se convolucionada con la hemodinámica-respuesta-función (HRF) y entró en un voxel-sabia de regresión lineal múltiple ^14.
13. Calcular las estimaciones de parámetros para cada una de las covariables que reflejan los cambios en la señal BOLD por evento de tipo, respecto al valor basal.
14. Use voxel nivel estadístico t para realizar contrastes comparando regiones la actividad cerebral que son diferencialmente participan a través de tareas (por ejemplo, la memoria de trabajo frente a la tarea de control) y grupos (por ejemplo, frente a los controles de MTBI).
15. Combinar la información del sistema HIT (es decir, la magnitud promedio de impactos en la cabeza de cada jugador) con los datos de neuroimagen estructural y funcional. Para evaluar estas interrelaciones, utilizar el análisis de PLS.
16. Use la magnitud promedio de impactos en la cabeza de cada jugador para ejecutar un PLS comportamiento que se relacionan con la magnitud media de las diferencias en los patrones de actividad cerebral durante la realización de la tarea de memoria de trabajo.

9. Resultados representante

Impacto de la cabeza del sistema de telemetría

La Tabla 3 muestra los datos cuantitativos de los impactos registrados correspondiente se ilustra en la Figura 2. Pico de aceleración lineal que es la máxima aceleración lineal de la cabeza de un jugador durante el impacto. Las unidades son g es. A g es la aceleración de la gravedad al nivel del mar (9,8 metros por segundo al cuadrado). La aceleración de rotación máxima es la aceleración máxima de rotación de la cabeza de un jugador durante el impacto. Las unidades son radianes por segundo al cuadrado. Azimut es una medida de la localización del impacto. Azimut se define a partir de -180 º a 180 º con 0 ° en la parte posterior de la cabeza y el azimut positivo hacia el lado derecho de la cabeza. La elevación es la otra medida de la localización del impacto. Elevación se define a partir de 0 º (plano horizontal que pasa por el centro de la cabeza de la gravedad) a 90 ° (corona de la cabeza).

La resonancia magnética funcional

La Figura 3 muestra los resultados de serie de un fMRI atletas) conmocionado con la resolución de síntomas y b) sin resolución de los síntomas. Nota: las tareas relacionadas con la actividad cerebral en la región frontal se observan claramente sólo en los atletas con la resolución de síntomas.

Figura 1. Diagrama esquemático de la tarea de memoria externa ordenada de trabajo.

Figura 2. Ejemplo de datos del sistema HIT interfaz que muestra los vectores de dirección que indica la ubicación de los seis hits describen en la Tabla 3. Simbex 2006.

Figura 3. Resultados de una serie fMRI atletas) con una conmoción resolución de los síntomas y b) sin resolución de los síntomas. PCS = conmoción cerebral después de los síntomas; n = número de sujetos; ▲ cambio BOLD = en señal de nivel de oxigenación de la sangre depende, DLPC corteza prefrontal dorsolateral =.

Tabla 1. Detalles de los parámetros de exploración para secuencias de RM clínica y funcional en el 3T.

¹ TE (tiempo de eco), TR (tiempo de repetición), TI (inversión de tiempo), FA (ángulo de inclinación)
² FOV (campo visual)
³ proyectos de ejecución nacional (número de excitaciones)

Tabla 2. Administración de medidas neuropsicológicas para todos los sujetos.

Nota: Cada sujeto conmocionado individuales serán emparejadas con el ortopédico y no sujetos de control de lesiones. Los sujetos de control será administrado las medidas para el mismo período de tiempo que el sujeto conmoción que se corresponden con. Por ejemplo, si una resolución sujeta conmoción experimentada de los síntomas de PCS en el día 14, un sujeto de control ortopédicos, así como un sujeto de control sin lesión también se realizó la evaluación neuropsicológica completa el día 14 (es decir, tratados como si sus síntomas "PCS" resuelto el día 14) con el fin de coincidir con los puntos de datos.

Tabla 3. Muestra de los datos obtenidos de un jugador con un casco.

Nuestra predicción es que los jóvenes que muestran el mayor impacto en la sustancia blanca del cerebro que muestran la mayor reorganización de la actividad cerebral, y la más larga del comportamiento neuronal y los períodos de recuperación. Esta investigación puede aportar una mejor comprensión de pediatría conmoción cerebral después de los acontecimientos y tener un impacto significativo en la atención médica, ya que nos permitirá establecer un protocolo de recuperación basado en la evidencia científica que es específica para niños y jóvenes. Dicho protocolo se puede traducir a las partes interesadas, incluyendo a los padres, entrenadores y médicos. Para alcanzar estos objetivos, vamos a caracterizar y cuantificar aún más las secuelas neuropsicológicas y de los nervios en una conmoción atletas pediátricos. También medimos la mejora cognitiva y cambios en la estructura cerebral y los patrones de actividad que acompañan a la recuperación de la conducta. Además, el estudio proporcionará una nueva mirada sobre el impacto de las conmociones cerebrales repetidas y no-conmoción impactos en la cabeza en la plasticidad cerebral a largo plazo y el desarrollo de la juventud.

Nos gustaría dar las gracias a los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR) y la Fundación de Neurotrauma Ontario (ONF), que han proporcionado fondos para esta investigación.