利用视觉诱发电位客观评估运动脑震荡

摘要

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。

摘要

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。

引言

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SRC^12，13，14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。

研究方案

该协议第一部分的批准是从悉尼东南部地方卫生区（ESLHD）人类研究伦理委员会（HREC）获得的。所有玩家都获得了详细的参与者信息表，并在参与之前获得了同意（SESLHD-HREC参考编号:17/039 HREC/17/POWH/91）。

使用改进的便携式系统研究的批准是从Bellberry人类研究伦理委员会（HREC）获得的。向所有对照组提供了详细的受试者信息表，并在参与之前获得了同意（HREC参考编号:1802VEPEEG-CER）。

1. 参与者筛选和同意

1. 在竞争赛季开始之前，从单个橄榄球联盟俱乐部招募参与者。参赛者必须是健康、以英语为母语的成年男性（18岁以上），并且是业余橄榄球联盟队的成员（图1）。
   1. 由于视觉刺激的闪烁性质，请确保参与者不符合以下任何严格的排除标准:癫痫的诊断或症状，现有和/或以前的脑损伤，或法律失明。
   2. 通知参与者在运动场上受伤后的任何症状如实向医生报告，医生将信息转发给相关的研究调查员。参与者必须了解，参与研究需要在赛季期间至少进行两次SSVEP测试，并且在发生脑震荡损伤时可能会进行进一步的测试。

2. 调查性 SSVEP 设备设置

1. 将带电液晶显示器（LCD）智能手机安装到虚拟现实（VR）框架中（图2A;参见 材料表）。
   1. 生成一个.mp4视频文件，该文件由一系列黑白屏幕组成，这些屏幕以15 Hz的频率交替，总共30秒。在视频帧的中心放置一个随机数（占据屏幕的不到2%，视角为1.5°），供参与者在刺激期间集中关注。确保以5秒的间隔改变该数字，以鼓励持续关注（图2B）。
   2. 将构建的视频文件上传到智能手机，并以全亮度（最低约490尼特）显示，作为SSVEP系统的视觉刺激。
2. 为无线 14 通道脑电图耳机充电，该耳机将用作主要脑电图记录设备（图 3A）。
   1. 通过随附的通用 USB 接收器（硬件保护装置）将耳机与附近的电脑配对。将转换器插入计算机的 USB 端口，通过电源按钮打开耳机，打开计算机上的 14 通道 EEG 耳机软件，然后在显示的耳机 ID 旁边的应用程序上选择" 连接 "按钮（请参阅 材料表）。
3. 用盐水溶液使供应的毛毡传感器完全饱和。
   1. 将饱和传感器安装到耳机的黑色塑料臂中，轻轻地顺时针旋转每个传感器，直到感觉到"咔哒"声并且传感器感觉安全。

3. 参与者基线评估

1. 在橄榄球赛季开始之前，获得所有通过筛选问题的参与者的同意，以参与研究。
2. 要求同意的参与者坐在具有自然环境光的安静封闭环境中的椅子上，例如办公室。当参与者坐下时，通过将头带从头顶向下滑动，将14通道EEG耳机安装到参与者的头部。根据国际10-20系统（图3B）^28，29排列电极。将头戴式耳机的两个前置传感器与参与者的发际线或参与者眉毛上方大约三个手指宽度对齐。
   注意:如果参与者有浓密的头发，请在头发下方使用传感器，并添加额外的盐水。如果受试者从静止的坐姿移动或在评估期间环境设置发生变化，则可能发生伪影（图4），并且不应整理SSVEP数据以进行分析（丢弃）。
   1. 使用枕部电极（O1和O2）作为主要记录电极，使用顶电极（P3和P4）作为接地和共模（参比）电极（图3B）。
3. 在继续测试之前，通过使用接触质量软件，确保耳机和参与者的头部之间有足够的连接。绿色电极表示良好的接触质量（<20 kOhms），符合制造商的标准。
   1. 如果所有感兴趣的电极通道（O1，O2）均未达到良好的接触质量，请用盐水溶液重新饱和传感器并重新检查定位，以确保传感器尽可能与头皮齐平。
      注意:必须获得良好的接触质量，以确保头皮和电极之间的电气连接，从而最大限度地减少潜在的伪影（图4）。
4. 要求参与者将VR框架内的测试智能手机举到眼睛上，冲洗到他们的脸和鼻梁上，确保双眼完全被遮住。
   1. 让参与者确认焦点编号在屏幕中央可见，并且框架阻挡了环境光。
5. 从参与者的脸上取下VR帧，并通知他们现在将启动视觉刺激视频。然后将VR框架交还给他们，以便在与步骤3.4.1相同的位置重新涂抹。
   1. 提醒参与者，他们将专注于焦点数字，并在SSVEP测试期间保持静止和安静。
6. 通过按下智能手机屏幕上的" 播放 "按钮启动视觉刺激视频，然后让参与者将VR帧放在他的脸上（按照步骤3.4）。
7. 要求参与者确认他们按照步骤3.4将VR帧放在正确的位置。在参与者确认后，同时开始倒计时秒表30秒表，然后选择14通道脑电图耳机软件上的" 开始录制 "按钮，开始在EEG耳机上录制。
8. 30 秒周期结束后，通过选择 14 通道脑电图耳机软件上的"停止"按钮 停止 脑电图记录。
   1. 从参与者的视线中取出VR框架，并通知他们第一次SSVEP评估已完成。
9. 通过单击 14 通道 EEG 耳机软件上的" 保存会话 "按钮，将录制的 SSVEP 响应保存到本地帐户。将保存的文件作为欧洲数据格式 （EDF） 文件导出到首选存储硬件设备。
   注意:EDF文件应标有参与者的首字母缩写，日期，时间和进行的测试类型（基线，受伤后或恢复），以便识别和存储。
10. 在步骤 3.9 之后快速连续重复 SSVEP 评估方案（步骤 3.2 至 3.9）。
    注意:这是作为两次评估的第二次读数进行的，并产生始终如一的更清晰的脑电图读数。
11. 成功完成两个SSVEP评估后，让参与者从眼睛上取下VR框架，然后小心地从参与者的头部取下头戴式设备。
    1. 从头戴式设备中取出电极传感器，并将其存放在适当的保护套中，直到下次使用，以确保盐水不会腐蚀头戴式耳机的电极。
    2. 用异丙醇（70%）湿巾清洁耳机和智能手机+框架，然后将两台设备存放在各自的盒子中，直到下次使用。
12. 询问参与者是否对刺激有任何异常反应，包括头痛或头晕的存在。在研究日志中记录响应。
13. 通知参与者他们已经完成了基线测试，并将在本赛季下一场竞技比赛的72小时内再次接受评估。

4. 受伤后评估

1. 确保记录任何疑似脑震荡对场地的影响，并由队医或球员报告给研究调查员。
2. 使用第3节中详述的SSVEP协议，在事件发生后72小时内对在步骤4.1中报告的任何球员进行受伤后评估。
3. 确保所有球员都接受伤后SSVEP评估，该评估由队医进行评估（见第5节），以确定球员何时从伤病中恢复，并可以恢复全接触训练和比赛。确保记录队医的诊断用于研究目的。
   1. 通知球员，一旦队医认为他们康复，他们将使用SSVEP系统进行重新评估。

5. 临床脑震荡评估

1. 确保队医在72小时内对所有球员进行评估，以产生潜在的脑震荡影响。
   注意:队医必须是在评估运动相关损伤方面具有临床经验的持牌医生，并得到相关运动管理机构的批准。
   1. 让队医进行神经系统检查，此外还要使用运动脑震荡评估工具（SCAT）的元素来确定球员的意识状态，以及与脑震荡相关的任何常见体征和症状的存在¹⁵.
      注意:评估以玩家的典型举止和行为为参考。
2. 根据澳大利亚橄榄球协会的毕业复赛（GRTP）指南³⁰，确保在脑震荡诊断后48小时内由同一队医重新评估球员，并在每次练习中再次评估一次，直到清除返回³⁰。
3. 确保球员接受团队医生的最终评估，以确定他们是否在临床上康复，然后允许他们返回全接触练习或游戏。医生将根据SCAT测试的改善以及相关症状和任何非典型行为的减少来确定球员的受伤状态，这在前面已经注意到。
   注意:根据GRTP，此最终评估将在受伤后至少12天后进行。
   1. 记录临床医生对球员受伤状态（脑震荡或恢复）的确定，以用于研究目的。

6. 恢复评估

1. 使用第 3 节中详述的 SSVEP 协议评估在步骤 5.3 中被视为已恢复的玩家，以获得恢复 SSVEP 响应。

7. 测试-重新测试可靠性评估

1. 确保所有未受伤的参赛者在赛季的每场竞技比赛后72小时内使用便携式SSVEP系统在第3节中详述的相同设置中重新测试，以获取系统测试 - 重新测试可靠性的数据。

8. 数据处理

1. 生成一个数值计算脚本，该脚本可以导入和处理第 3-7 节中所有记录的 EDF 数据文件（请参见 材料表）。
   1. 将转折频率为 5 Hz 和 40 Hz 的巴特沃兹带通滤波器应用于使用 14 通道 EEG 耳机获得的原始 SSVEP 电压，以最大限度地减少低频噪声、直流电压偏移和主电源³¹ 的影响。
   2. 将快速傅里叶变换（FFT）应用于滤波的SSVEP值，以分析频域^{32中的数据}。
   3. 对来自电极通道 O1 和 O2 的 FFT 值进行归一化，以生成单个值数组，以便以图形方式绘制为功率谱密度（图 5）。
2. 处理完脑电图数据后，通过将15 Hz的幅度除以5-40 Hz之间的平均幅度来计算每个数据文件的信噪比（SNR）。信噪比公式为:
   
   其中:
   幅度_15Hz = 15 Hz 频带的电压 （μV）
   _平均幅度 = 5-40 Hz （μV） 之间所有频段的平均电压
3. 确保所有数据（原始EDF，处理的EDF，SNR值，评论和球员受伤状态的日期）都保存在适当标记的文件夹中，以用于调查目的。

9. 统计分析

1. 将球员的数据文件明确地合并到逗号分隔值（CSV）表中（基线，脑震荡和恢复读数的单独列）。
   1. 使用每个 SSVEP 读数的 SNR 来比较不同的组。将所有汇总数据表示为具有第 25^个 到^第 75 个四分位距 （IQR） 的中位数，统计显著性水平为 alpha （α） = 0.05，所有方差水平都以标准差 （± S.D. ）显示。使用统计分析软件（参见 材料表）分析组SNR值。
   2. 使用夏皮罗-威尔克检验评估所有玩家 SNR 值的正态性。
   3. 对于经历过所有三种类型评估的参与者，使用配对 t 检验（基线脑震荡读数、脑震荡恢复读数和 基线恢复 读数之间）比较所有三个评估组之间的平均 SNR。确保通过使用 Bonferroni 校正来应用多重比较校正。
   4. 利用Cohen的D³²计算t检验比较的效应大小。
2. 使用模型3，k型类内相关系数（ICC）估计测试 - 重新测试可靠性;ICC（3，k）具有95%置信区间（CI），用于检查整个季节基线和重复测试之间的一致性。
   注意:实验可以在此处暂停，稍后再重新启动。

10. 改进了便携式 SSVEP 系统设置

注意:本节中描述的系统是一个多合一的设置，旨在实现更高效的测量过程，既更快，又能提高参与者的舒适度。请注意，第 2-6 节中描述的设置是一个简单的原型，由许多设备合并以生成概念验证系统组成。使用该系统的协议原理图如图 6所示。

1. 获得一个便携式SSVEP系统，其中包含与第2节中描述的系统相当的视觉刺激和电极配置（见 图7A）。
   1. 将系统的 SSVEP 应用程序从 iOS 应用商店下载到运行 iOS 的设备上（请参阅 材料表）。
2. 确保研究团队熟悉便携式 SSVEP 系统及其提供的 iOS 应用程序的使用说明 （IFU），从而激活 SSVEP 设备并在本地存储 EEG 读数。
   1. 按照便携式 SSVEP 系统的使用说明 （IFU） 在 iOS 应用程序上生成主题帐户。打开应用，选择" 主题 "选项卡，然后按 "添加新主题 "按钮。

11. 参考脑电图系统设置

1. 获得经过验证的临床级脑电图放大器单元，该单元具有不含视觉刺激成分的模块化电极配置（图7C）。
2. 确保研究团队熟悉临床脑电图系统的使用说明（IFU）及其提供的临床神经病学软件应用程序（见 材料表），这些应用程序可以激活放大器和本地存储脑电图读数。

12. 改进的便携式SSVEP系统的脑电图验证

1. 招募健康的、讲英语的成人参与者，使用第1节中详述的相同排除标准。同意这些参与者参加SSVEP系统验证研究。
2. 随机为参与者分配一个介于 01 到 20 之间的数字。评估受试者，首先使用便携式SSVEP系统分配奇数，然后使用临床脑电图系统（步骤12.3-12.16）。反之亦然，对于分配偶数的参与者（步骤12.10-12.14，然后是12.3-12.9，然后是12.15-12.16）（图6）。
   1. 按照使用说明 （IFU） 设置 SSVEP 耳机:为耳机充满电，然后将其与 SSVEPiOS 应用程序进行蓝牙配对。将随附的聚氨酯传感器圆筒插入电极通道，并使用生理盐水溶液饱和。
3. 根据系统的 IFU 将 SSVEP 头戴式耳机放在参与者的头上，后壳单元的下部位于参加者的内脏正上方，前遮阳板壳体牢固地放置在他们的眼睛和鼻梁上，并且头戴式耳机通过弹性调节带和固定扣拧紧。
4. 在测试之前，请检查 SSVEP iOS 应用程序的阻抗指示器，以确保耳机与参与者头部之间的连接充分。相关应用上的绿色视觉指示器（阻抗 <15 kOhms）根据制造商的标准表示良好的接触质量。
   1. 如果所有感兴趣的电极通道均未达到良好的接触质量，请用生理盐水溶液重新饱和传感器，并重新检查定位，以确保传感器尽可能与头皮齐平。
      注意:必须获得良好的接触质量，以确保头皮和电极之间的电气连接，从而最大限度地减少潜在的伪影（图4）。
   2. 确保参与者感到舒适。指示他们坐着并向前凝视灯光时保持静止，冷静和安静，并且仅在需要时才眨眼。如果受试者从静止的坐姿移动或在评估期间环境设置发生变化，则可能发生伪影（图4），并且不应整理SSVEP数据以进行分析（丢弃）。
5. 通过按 iOS 应用程序上的" 开始测试 "按钮来启动视觉刺激。出现提示时，按" 继续 "按钮进入下一阶段的测试。视觉刺激根据系统的 IFU 运行两次，获得初步和主要的 SSVEP 读数。
6. 完成 SSVEP 评估后，从参与者的头部取下 SSVEP 耳机。让受试者放松至少30秒。
7. 为了获得测试-重新测试可靠性值，请在休息期结束后对 SSVEP 系统重复 SSVEP 评估协议（步骤 12.3 至 12.7）。
8. 让参与者休息5分钟，然后再继续下一个脑电图系统。
9. 根据 IFU 设置临床脑电图放大器:通过提供的 USB 加密狗和电源线连接到计算机，将五根电极引线连接到相应的 10-20 个 EEG 位置 01、O2、OZ、P1 和 P2，打开计算机上的临床神经病学 EEG 软件并创建新研究（通过 "记录 "选项卡）。
   1. 将头皮制备凝胶涂抹在参与者头部的枕部区域，用手指顺时针运动摩擦凝胶以扩散成薄层。
   2. 根据临床脑电图系统的IFU将电极帽安装在参与者的头部。将导电凝胶小心地用干净的手涂抹在五个电极贴片上。
   3. 根据10-20脑电图定位命名法，将五个电极贴片放在参与者的头皮上，分别位于O1，O2，O3，P1和P2位置。
10. 在测试之前，检查临床脑电图放大器软件应用程序的阻抗指示器，以确保耳机和参与者头部之间的充分连接。<15 kOhms的阻抗值被认为对于脑电图应用是可以接受的。
    1. 在这种情况下，并非所有感兴趣的电极通道都能获得良好的接触质量，请重新应用制备凝胶并重新检查定位，以确保传感器尽可能与头皮齐平。
11. 按照步骤12.4，指示参与者将SSVEP设备的前遮阳板放在眼睛上，而调查助理则将后壳单元远离头皮。
    1. 重复第 12.5.2 节中概述的说明。
12. 通过按临床神经病学软件左上角的红色 记录 符号来启动脑电图放大器的记录。录制开始后立即按下 iOS 应用程序上的" 开始测试 "按钮来启动视觉刺激。
    1. 一旦提示SSVEP系统已停止第一轮激励并正在等待命令继续，按下红色记录符号可停止脑电图放大器记录。
    2. 按下临床神经病学软件上的红色 记录 符号，重新启动脑电图放大器记录，然后选择 SSVEP iOS 应用程序上的" 继续 "按钮继续视觉刺激。
    3. 一旦提示SSVEP系统停止视觉刺激，按下红色记录符号可停止脑电图放大器记录。
13. 让受试者放松至少30秒。为了获得测试 - 重新测试可靠性值，在休息期结束后（两个总测试:测试1 / 测试2），与临床脑电图系统重复SSVEP评估方案（步骤12.10至12.13）。
14. 成功完成一对SSVEP评估后，让参与者从眼睛上取下前遮阳板，并小心地将电极贴片从头皮上取下。
    1. 使用异丙醇 （70%） 湿巾清洁 SSVEP 耳机和电极引线，然后将两台设备存放在各自的机箱中，直到下次使用。
15. 询问参与者是否对刺激有任何异常反应，包括头痛或头晕的存在。在通知他们已完成参与研究之前，在研究日志中记录他们的回应。

13. 便携式SSVEP系统的测试-重新测试可靠性计算

1. 使用移动管理实用程序软件从iOS设备下载两个SSVEP主测试集的原始SSVEP值;结果将输出为逗号分隔值 （CSV） 文件。出于识别和存储目的，请使用参与者的全名，进行的测试类型和日期保存文件。
2. 修改第 8 节中生成的数值计算脚本，以使用来自 O_z 记录通道的附加 SSVEP 值数组处理 CSV 文件。
3. 在 CSV 工作表数组中整理已处理的数据文件，并根据 测试 1 或测试 2 的相应类别汇总值。
4. 使用每个 SSVEP 读数的 SNR 来比较不同测试的结果。使用模型 2、类型 1 类间相关系数 ICC （2，1） 和 95% 置信区间 （CI） 估计测试-重新测试可靠性，并将显著性水平设置为 0.05 α。

14. 临床脑电图系统的测试-重测计算

1. 从临床神经病学软件下载两个脑电图放大器初级测试集的原始SSVEP值;结果将输出为 CSV 文件。出于识别和存储目的，请使用主题名称和所执行测试的类型保存文件。
2. 重复第13.2-13.4节，使用下载的脑电图放大器CSV文件估计临床脑电图系统的测试-重新测试可靠性。

15. 便携式SSVEP和临床脑电图系统的协议计算

1. 概述确定脑电图系统是否检测到SSVEP的标准（推荐标准:如果5-35 Hz之间的主信号峰值为15±0.1 Hz，以及主峰值的Z评分是否高于5）。
2. 修改第 12 节和第 13 节中生成的数值计算脚本，以另外确定所处理的 SSVEP 文件的峰值频率和 Z 分数。Z 分数的公式是。
   
   哪里:
   幅度峰值 =_峰值 频率下的电压 （μV）
   _平均幅度 = 5-35 Hz （μV） 之间所有频段的平均电压
3. 使用概述的标准对EEG系统成功检测SSVEP的能力进行二项式分析，二项式概率（%）被视为两个系统之间的一致性。每个系统的初步和主要记录将分别用于计算两组数据的一致性水平。
4. 使用每个SSVEP读数的Z评分来比较不同的脑电图系统。将所有汇总数据表示为具有第 25^个到第 75 个四分位距 （IQR）^的 中位数。使用统计分析软件对系统处理值进行统计分析。
5. 修改第 12 节和第 13 节中生成的数值计算脚本，以另外确定 SSVEP 和临床 EEG 系统生成的所有（初步和主要）SSVEP 文件的数据点的每个频率的平均 SNR，该频率产生 0-25 Hz 的数据点。
   1. 创建两个系统的功率谱密度 （PSD），将平均 SNR 结果归一化为 0-25 Hz 之间（请参见 代表性结果）。
      注意:为每个脑电图系统创建一个单独的数据系列，并将其叠加到同一 PSD 上。

结果

本研究的第一部分共有65名男性橄榄球运动员（20.9±2.3岁）成功入组，所有球员都接受了基线SSVEP评估（图1）。在整个橄榄球赛季期间，12名参与者在比赛中遭受了潜在的脑震荡伤害，并使用SSVEP系统进行了重新评估，以进行伤后评估。队医使用临床脑震荡评估方案评估了这些球员，并将这12名参与者诊断为脑震荡。所有12个医生都认为在12天的GRTP时间段^{内康复了30}。在医生确定球员已经康复后，8名球员可以获得额外的SSVEP;归类为恢复评估。在赛季中，有22名没有脑震荡的球员为了研究可靠性而进行了重新测试。其余未进行重新检测的受试者失去了随访。在研究期间，没有报告SSVEP刺激后的不良事件。用于橄榄球运动员的SSVEP系统的可靠性得到了高班级内相关系数（ICC）的证实，其置信区间为95%，对于重新测试的非受伤球员（n = 22），等于0.91（0.79-0.96），对于重新测试的恢复球员，则为0.96（0.74-0.99）。在此计算中考虑了达到良好接触质量的数据集。这是由于参与者的头发或皮肤潜力影响了脑电图系统获得清洁SSVEP的能力（图4）。

为了确定通过该调查系统产生的SSVEP是否可以用作脑震荡的生物标志物，将处理结果的SNR值分为基线（对照），脑震荡和恢复评估进行比较（图1）。总体而言，所有对照组的中位数信噪比（n = 65）为4.80 [IQR:4.07-5.68]，对照组的平均处理过的脑电图在各自的频谱³³中显示出清晰的15 Hz峰值信号。当由相同的视觉刺激产生但用不同的脑电图系统记录的单独对照组（n = 20;健康的一般人群）的平均SSVEP值被绘制为功率谱密度时，也看到了类似的反应（图5）。这种中位数分布和功率谱密度允许为未受伤（非脑震荡）玩家对调查设置的SSVEP反应设置明确的控制（图2， 图3）。所有脑震荡患者（n = 12）和具有可用SSVEP评估的康复玩家（n = 8）的SNR中位数分别为2.00 [IQR:1.40-2.32]和4.82 [IQR:4.13-5.18]，分别为³³。该试点研究观察到对照组（基线）和脑震荡患者之间SNR值中位数（+4.03;p <0.0001）存在显着差异。脑震荡对SSVEP信号有很大的影响（Cohens， d = 4.03）。有趣的是，恢复的球员组被认为具有微小的SNR方差（+0.02; p = 0.0495），仅具有显着性（α <0.05），与对照组相比效果微不足道（Cohens， d = 0.17）³³。这表明，根据GRTP指南³⁰，完全康复后，脑震荡和非受伤球员的SSVEP值是等效的。此外，脑震荡和恢复组之间的中位数SNR显着不同（+2.80; p = 0.0002），表明恢复期对脑震荡玩家的SSVEP信号有很大的影响（Cohens， d = 3.60）³³。

当仅比较接受所有三种形式的测试（n = 8;基线，脑震荡和恢复）的球员时，SNR方差中位数也出现了类似的反应。观察到基线与脑震荡（-2.34;p = 0.0001）和脑震荡与恢复（-2.72;p = 0.0002）之间存在显着变化，而基线与恢复（+ 0.28;p = 0.0495）之间存在显着变化，这些组之间的影响微不足道（Cohens d = 0.17）。当对接受所有三种形式测试的玩家的平均SNR值进行测量时，这些发现得到了加强。这些球员的基线、脑震荡和恢复读数的平均信噪比分别为4.45、2.20和4.33。基线组与脑震荡组（p = 0.0001）和脑震荡组与恢复组（p = 0.0002）之间存在显着差异。恢复组和基线组之间平均SNR值的差异很小，但只是显著性（p = 0.0495）。总体而言，与基线评估相比，脑震荡参与者对刺激的反应较低。在监测恢复期之后，这些参与者最终能够产生与其初始（基线）评估相当的响应³³。这表明，与运动相关的脑震荡对个人产生至少12天SSVEPs的能力有影响。如果以与该方案类似的方式常规测量个体的SSVEP反应（图1）:基线，损伤后，恢复，健康从业者可能会利用SSVEPs作为脑震荡的生物标志物。

一体化便携式SSVEP系统（图7A）用于（n = 20）来自一般人群的健康对照受试者，未指定为橄榄球运动。由于这是一种具有不同电极系统的研究装置（图7B），并且与初始SSVEP设置的刺激略有不同，因此中位数和平均SNR值对于比较无效（表1）。同样，由于参与者没有参加脑震荡高发的运动，因此SSVEP系统未被评估为脑震荡的SSVEP标志物。相反，进行了测试 - 重新测试可靠性研究，以验证该系统将来在大规模试验中的使用（图6）。SSVEP系统返回了0.81的高相关性（CI:0.59-0.92），表明该器件在获得SSVEPs方面是可靠的（表2）。此外，通过对传统临床级脑电图系统的协议研究（图7C），该系统的脑电图技术的准确性得到了验证，该系统的脑电图技术返回了0.83的相似ICC值（CI:0.63-0.93）（表2）。第一次重复测试（初步）导致18/20参与者在两个系统之间显示一致，二项式概率为95%。对于一名参与者，由于SSVEP系统检测到比所需的15 Hz信号响应更突出的α节律，因此设备不同意（图8）。对于另一名受试者，临床脑电图系统未鉴定出SSVEP（图9）。然而，在第二次重复（主要）中，所有20名参与者在两个系统之间都达成了一致，二项式概率为100%。 图10说明了两个系统产生SSVEP的总体精度，该图描述了两个系统仅在受激频率15 Hz下具有突出的SNR。这验证了便携式系统在功能上等同于用于记录EEG信号的临床级设备。当与SSVEP系统的便携性和易用性相结合时，它开辟了各种应用，用于在临床环境之外捕获研究质量的SSVEP，例如在大规模的SRC案例研究中。

图1:运动员参与SRC-SSVEP研究的流程图方法。 该流程图详细介绍了在业余橄榄球联盟球员的整个SRC-SSVEP研究期间对参与者资格和组分配的筛选。SRC;运动相关脑震荡。SSVEP;稳态视觉诱发电位。 请点击此处查看此图的大图。

图 2:便携式 SSVEP 系统的视觉激励组件。 （A） 加载和显示视频的 LCD 智能手机，安装在纸板 VR 框架中。参与者必须将VR框架与脸部和鼻梁齐平，以确保双眼完全被框架包围。（B） 视觉刺激的插图;以 15 Hz 的频率创建白色（顶行）和黑屏（底行）交替的视频循环。每个屏幕包含两个帧，由垂直分界线分隔，与VR帧的左眼和右眼视野对齐。每帧都包含一个焦点，其中心有一个数字的形式，该焦点在1-9的范围内以5秒的间隔交替。SSVEP;稳态视觉诱发电位。液晶屏;液晶显示器。虚拟现实;虚拟现实。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:便携式 SSVEP 系统的无线脑电图组件。 （A） 一种 14 通道脑电图耳机，能够将数据无线传输到连接到计算机的附近接收器。（B） 14个电极位置相对于国际10-20脑电图系统的视觉图，用于人类脑电图研究中的电极放置。在SRC-SSVEP研究中，使用两个枕部电极（O1和O2）作为记录电极，而使用两个顶电极作为共模减法和接地（分别为P3和P4）。脑电图;脑电图。SSVEP;稳态视觉诱发电位。SRC;运动相关脑震荡。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:说明接触质量在 SSVEP 测量中的重要性。 使用SSVEP系统测量的单个对照（健康的一般人群）受试者的SSVEP响应，其设定刺激频率为15 Hz，采样率为250 Hz，当:（A）电极上使用非典型盐水溶液，（B）电极未充分通过受试者头发接触头皮，（C）电极被盐水饱和并通过头发处理。盐水对于确保患者头部和电极之间的电气连接至关重要;没有它，以谐波方式观察到大振幅皮肤电位伪像。头发充当电阻器，最大限度地减少患者头皮和电极之间的电气连接，从而导致噪音增加。 请点击此处查看此图的大图。

图5:脑电图验证研究中20名对照受试者的平均SSVEP反应。 使用SSVEP系统测量的对照（健康一般人群）受试者的SSVEP响应（n = 20），其设定刺激频率为15 Hz，采样率为250 Hz。总体的平均SSVEP表示为功率频谱密度，其中y轴表示以微伏（uV）为单位的信号幅度。SSVEP;稳态视觉诱发电位。 请点击此处查看此图的大图。

图6:两个系统之间脑电图验证研究的流程图方法。 该流程图详细介绍了根据已建立的脑电图参考系统（分别为SSVEP和临床脑电图系统）验证便携式脑电图系统的方法。对照组（健康的一般人群）参与者被筛选并随机分配一个测试顺序，并以测试 - 重新测试的方式在每个系统上进行两次测试。脑电图;脑电图。 请点击此处查看此图的大图。

图 7:两个系统之间脑电图验证研究的电极概述。 （A） 改进的便携式 SSVEP 系统。（二）国际标准10-20脑电图修改组合命名系统。（C）已建立的临床脑电图参考系统。SSVEP 系统通过其三个枕电极通道（O1、O2 和 Oz）测量脑电信号，同时分别利用两个部分电极通道（P1 和 P2）作为参比和偏置。临床脑电图系统允许通过其40通道放大器测量脑电信号，该放大器可以手动定位在与SSVEP系统相同的O1，O2，Oz，P1，P2排列中进行比较。脑电图;脑电图。 请点击此处查看此图的大图。

图 8:由两个 EEG 系统测量的单个对照参与者（参与者 09）SSVEP 响应的功率谱密度。（二）临床脑电图系统。两种测量值都是使用相同的视觉刺激（来自SSVEP系统）获得的:在封闭的情况下对白光LED进行15 Hz轻拂刺激。请注意，尽管在两个系统中都看到了突出的15 Hz响应，但SSVEP系统的绝对最高峰值为10.5 Hz，而不是受激的15 Hz。根据协议研究的标准，其中系统必须将受激频率检测为峰值（初级）振幅，这构成了失败。SSVEP;稳态视觉诱发电位。发光二极管;发光二极管。请点击此处查看此图的大图。

图9:单个对照组（健康的一般人群）参与者（参与者19）的SSVEP响应的功率谱密度，由两个脑电图系统测量。（二）临床脑电图系统。两种测量都是使用相同的视觉刺激（来自SSVEP系统）获得的;封闭外壳中白光 LED 的 15 Hz 闪烁激励。请注意，临床脑电图系统缺乏明显的15 Hz响应，因为它被类似幅度的噪声包围。根据协议研究的标准，其中系统必须生成Z得分大于5的响应，这构成失败。SSVEP;稳态视觉诱发电位。发光二极管;发光二极管。请点击此处查看此图的大图。

图 10:测量对照组 SSVEP 的两个 EEG 系统之间一致性的直观说明。 将（n = 20）对照（健康一般人群）受试者的平均SSVEP响应绘制为针对目标频率范围的SNR;5-25 Hz，用于使用 SSVEP（绿色）和临床 EEG（红色）系统进行测量。每个对照组在脑电图验证研究中为每个系统生成了两个数据集，为每个系统生成总共40个SSVEP数据集。将两个系统的图解响应叠加在一起，以可视化它们在SSVEP测量中的一致性，当受到相同的视觉刺激时:白光LED在15 Hz下闪烁30秒。将频率范围滤波到低于预测的30 Hz谐波，以仅关注初级激励响应。脑电图;脑电图。SSVEP;稳态视觉诱发电位。信噪比;信噪比。 请点击此处查看此图的大图。

脑电图系统	最低	伊克瑞克 25	中位数	伊克瑞克 75	最大	意味 着	标准开发
NC 1	4.402	8.187	9.829	13.667	20.703	11.148	4.577
NC 2	4.509	9.123	11.055	12.586	23.225	11.615	4.213
格雷尔 1	4.335	7.99	10.171	13.238	21.758	11.36	4.897
格雷尔 2	4.979	9.002	10.619	12.667	20.177	11.22	3.865

表1:通过两个脑电图系统测量的对照组参与者的SSVEP统计摘要。 使用便携式脑电图系统和已建立的临床脑电图系统对（n = 20）对照（健康普通人群）受试者进行了两次SSVEP测量;SNR值是根据SSVEP计算的（15 Hz作为主要信号）。为每个测量数据集计算统计数据，包括最小值、最大值、第 25^个 和第 75^个 四分位距 （IQR）、中位数、平均值和标准差 （std dev）。脑电图;脑电图。SSVEP;稳态视觉诱发电位。

脑电图系统	群	N	国际商会（95% 置信区间）	平均测试间隔时间（分钟）
努罗切克	控制	20	0.81 (0.59-0.92)	0.5
格雷尔	控制	20	0.83 (0.63-0.93)	0.5

表2:便携式SSVEP系统和临床脑电图系统的测试-重新测试可靠性。 基于类别间相关系数（ICC）计算综合SSVEP和临床脑电图系统的可靠性，其中95%可信区间（CI）来自相隔30秒进行的两项测试，使用同一组对照组（健康一般人群）个体（n = 20）;国际刑事法院（2，1）。SSVEP测试的SNR值（以15 Hz为主要信号）被用作ICC计算的感兴趣参数。脑电图;脑电图。SSVEP;稳态视觉诱发电位。

讨论

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。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ag-AgCl Electrodes	Compumedics	97000153	Disposable EEG electrode Wires
Cardboard VR	Google	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