By assessing pain in response to repetitive or different types of standardized stimuli, dynamic quantitative sensory testing (QST) can reveal changes in the central processing of pain. We present methods to optimize and individualize two dynamic QST measures: temporal summation (TS) and conditioned pain modulation (CPM).
Central facilitation and modulation of incoming nociceptive signals play an important role in the perception of pain. Disruption in central pain processing is present in many chronic pain conditions and can influence responses to specific therapies. Thus, the ability to precisely describe the state of central pain processing has profound clinical significance in both prognosis and prediction. Because it is not practical to record neuronal firings directly in the human spinal cord, surrogate behavior tests become an important tool to assess the state of central pain processing. Dynamic QST is one such test, and can probe both the ascending facilitation and descending modulation of incoming nociceptive signals via TS and CPM, respectively. Due to the large between-individual variability in the sensitivity to noxious signals, standardized TS and CPM tests may not yield any meaningful data in up to 50% of the population due to floor or ceiling effects. We present methodologies to individualize TS and CPM so we can capture these measures in a broader range of individuals than previously possible. We have used these methods successfully in several studies at the lab, and data from one ongoing study will be presented to demonstrate feasibility and potential applications of the methods.
Den internationella sammanslutningen för studier av smärta (IASP) definieras smärta som "en obehaglig sensorisk och känslomässig upplevelse." Kronisk smärta hänvisar till smärta som kvarstår efter 6 månader. Kronisk smärta är ett stort problem i USA, drabbar mer än 100 miljoner amerikanska vuxna på en kosta uppemot $ 635.000.000.000 per år. 1 På grund av den subjektiva karaktär smärta, är det svårt för forskare och kliniker att objektivt mäta en persons smärtsam upplevelse (s), vilket gjorde det svårt att bedöma och behandla smärta. Av denna anledning är det viktigt att vi utvecklar standardiserade tester för att kvantifiera smärta så objektivt som möjligt. Ett sådant test är QST, där standardiserade sensoriska stimuli administreras till och betygssätts av försökspersonen. 2 Det är statiska och dynamiska QST. Den förstnämnda bedömer vanligtvis de sensoriska trösklar till eller betyget en enda stimulans, medan den senare bedömersvar på ett antal stimuli. 3 Nyligen har dynamiska QST fått allt större uppmärksamhet, eftersom det ger möjlighet att undersöka den centrala bearbetningen av inkommande nociceptiva signaler. 4, 5, 6
Två viktiga komponenter i dynamisk QST är tids summering (TS) och kondition smärta modulering (CPM). Temporal summering hänvisar till ökade uppfattningen av smärta från repetitiva, skadliga stimuli. TS är en beteende korrelat av wind-up, fenomenet där spinal sekundära neuroner uppvisa ökad bränning på grund av repetitiva c-fiber ingång. 7, 8 Generellt TS kan induceras med hjälp av olika skadliga stimuli, såsom värme, elektricitet, och taktila metoder (dvs. tryck eller nålstick), förutsatt att frekvensen för den repetitiva stimulus är större än 0,3 Hz, den naturliga frekvensen för c -fibers. 9, 10 Många forskare använder repetitiva värmepulser för att generera TS på grund av den lätthet i framställning och standardisering av de skadliga värme stimuli. 11
CPM hänvisar till fenomenet "smärta hämmar smärta", där närvaron av en andra skadliga stimuli minskar smärtupplevelse från en initial skadlig stimulans. 12 Den initiala skadlig stimulans, som mäts före och efter (eller under) tillämpningen av den andra stimulus, kallas testet stimulans. Testet stimulans kan vara termisk, elektrisk eller taktila. Här termisk stimulus används ofta som test stimulans på grund av dess lätthet i inställning och standardisering. 13 Den andra stimulus, som kallas konditionering stimulus, typiskt består av ett kallt eller varmt vattenbad applicerades till en distal ände. 13 CPM är beteendekorrelera of Diffus Noxious hämmande kontroll (DNIC), en fysiologisk fenomen där input från perifera C-fibrer ger diffusa hämning från hjärnstammen av alla inkommande stimuli förmedlas av c-fiber från heterotopiska fält. 12, 14
Medan TS och CPM båda har potential att reflektera tillstånd och förändringar i central smärta bearbetning, finns begränsningar i båda. 4, 5 till exempel, eftersom det finns en stor variation i individers känslighet för värme, tillämpningen av en universell stimulans kan leda till brist på TS i upp till 50% av de individer som testades. 11 På samma sätt resulterar 15 en värmeprovningen stimulus ofta i vitt skilda smärt betyg som kan medföra CPM testet omöjligt på grund av golv eller tak effekter. 16 Därför att fånga TS och CPM allmänt ett protokoll som annonsjusts värmen stimulans till individen behövs. För TS justerar vi värmepuls temperaturer så att de kan generera tillräckligt ökning av smärta rating with varje successiv puls; medan för CPM, justerar vi värmeprovningen stimulans till måttligt smärtsam (6 10) för varje individ så att tillräcklig smärt betyg kan fortfarande existera efter tillämpning av en konditione stimulans.
För alla psykofysiska tester, är utbildning av deltagare i rätt betyget smärtsam stimuli avgörande för noggrannheten och reproducerbarheten av dessa beteendetester. 17 Detta är särskilt relevant för TS när flera stimuli presenteras i snabb takt och, när det gäller CPM, när två olika stimuli appliceras samtidigt till deltagaren. Dessutom TS från värmepulser, är det särskilt viktigt att träna deltagaren att betygsätta c-fiber förmedlad andra smärta (långsam, brännande, kommer oftast på cirka 1 sekund efter värmen puLSE) och inte den första smärta (medierad av A-deltafibrer och kom omedelbart med värmepuls). 18, 19 Detta är mindre en fråga i CPM som stimuli finns mycket längre (> 30 s) och C-fiber medierad sensation skulle dominera skadliga uppfattning i dessa situationer. 19, 20 i protokollet nedan kommer vi att gå över lämplig utbildning av deltagarna i detalj.
Kritiska steg i protokollet
TS-protokollet inkluderar följande på viktiga steg i kronologisk ordning: flerstegs utbildning (med hjälp av visuell analog skala för att betygsätta smärta, bedömning av andra smärta från en enda värmepuls, och betyget andra smärta från snabba värmepulstågen); optimering av puls temperaturer; erhålla TS 2-3 försök med optimerade temperaturer. Som med de flesta psyko åtgärder är ytterst kritisk deltagare utbildning för att säkerställa att smärta betyg är likartad i studierna och är så exakta som möjligt. Optimerings steg är lika viktigt, där både baslinjen och topppuls temperaturer justeras så att värderingen av den första värmepulsen är mindre än 5/10, och approximeras TS är mellan 3-7.
De viktigaste stegen i CPM omfatta utbildning av smärta betyg på visuell analog skala, få Värme 6 från långsamma värme ramper, vilket bekräftar Värme 6 och fin tröskel om necessary, applicera ett kallt bad till kontralaterala distala ände och ansöka om ett nytt bekräftat Värme sex under de senaste 30 sekunderna i kallt bad. I likhet med TS-protokollet, både utbildning och individualisering av värme stimulus (Heat-6) är kritiska i CPM-protokollet. Dessutom, av erfarenhet samt från litteraturen, upprepa Värme 6 stimulans under de senaste 30 sekunderna i det kalla badet är kritisk och ger en större magnitud av CPM jämfört med applicering av värme stimulans efter det kalla badet. 26 Med tanke på att vissa individer inte kan tolerera hela 2 min för kall pressor på 10 grader Celsius, kan det vara rimligt att överväga att tillämpa test stimulans omedelbart efter slutförandet av stimulanskonditione att standardisera datainsamling över alla personer.
Ändringar och felsökning
Det vanligaste problemet med TS-protokollet är oförmågan att erhålla TS, vilket kan bero på3 främsta orsakerna. Först och vanligast, smärtan rating från den första värmepulsen kan vara så stark att det överväldigar uppfattningen av någon ökning av smärta med efterföljande pulser (TS). Det bästa sättet att minimera detta problem är att följa protokollet och sekventiellt minska baslinjen och topp stimulus temperatur tills smärtan rating hos den första pulsen är lägre än 5 (av 10) innan optimera storleken på TS. Den andra orsaken, mittemot den första är när deltagaren uppfattar något som helst smärta vid slutet av 10 pulser även vid de högsta temperaturinställningar. I sådana situationer kan man överväga att öka utgångspulstemperaturen med en eller två ° C. Ibland kan en person helt enkelt har svårt att urskilja och rating andra smärta, möjligen på grund av både perifera och centrala faktorer. Utan tillförlitlig uppfattning av andra smärta, är det mycket svårt att fånga TS. I sådana situationer, finner vi den bästa uppsättningen av de temperaturer som en individuaJag kan tolerera och spela TS som noll.
De vanligaste hindren för en framgångsrik CPM protokollet är instabiliteten hos Värme sex och oförmåga att tolerera ett kallt bad (10 ° C) under 2 min. Använd fina tröskel i det nuvarande protokollet för att ta itu det första problemet genom att justera värme stimulans temperatur stegvis tills smärtan Betyget är mellan 5 och 7. För den andra frågan, noterar att litteraturen föreslår hämmande effekt från konditione stimulans är mättningsbar . 27 Som sådan, även om en person inte kan hålla sin fot i kallt bad under 2 min, bör en tillräcklig CPM effekt uppstår med detta intensivt smärtsamt kalla stimulans. Ändra protokollet för att registrera varaktigheten av foten nedsänkt i kallt vattenbad och leverera värme stimulans omedelbart efter deltagaren dra tillbaka sin fot från det kalla badet. CPM beräknas sedan som smärtan rating av värme stimulus innan subtraheras av smärtan Betyg av heat stimulans tillämpas omedelbart efter det kalla badet (inte under, eftersom det allmänna protokollet indikerar).
Begränsningar av teknik
Denna metod är inte utan begränsningar. Först, trots våra bästa ansträngningar, kunde vi inte att framkalla TS och CPM i varje individ (missade en deltagare i TS och en i CPM, respektive). Detta delvis kan bero på den stora mellan individuella variabiliteten i dessa parametrar. 5, 15, 16, 28, 29 var dock andelen framgångsrika 94%, vilket var bättre än framgång 50-60% citerade litteraturen. 22 28 För det andra bör forskarna ta försiktighet vid tolkningen mellan-individuella skillnader i TS genereras med denna metod eftersom vi använder olika värmepuls temperaturer för att skapa TS i varje individuell. Därför, när man jämför TS i ett tvärsnittsprov, bör man överväga båda skillnaderna i omfattningen av TS och i de temperaturer som används för att generera den. Den individualiserade TS metod är bäst lämpad för longitudinella studier där fokus ligger på förändringarna i samma individ övertid. Samma oro gäller inte för den individualiserade CPM eftersom samma konditione stimulus används för alla individer och endast förändringen i smärt uppfattning om individualiserad Värme 6 registreras och inte den råa poängen Värme sex smärta. Även om denna metod medger bred upptagning av TS och CPM, tar det mer tid jämfört med metoder där universella parametrar används. Slutligen kräver denna teknik en erfaren operatör och avancerade värmeprovningsmaskiner, som båda är inte praktiskt för omedelbar anpassning till upptagen kliniska inställningar. Vi uppmuntrar framtida insatser för att förenkla förfarandena.
Betydelsen av tekniken med avseende på befintliga/ alternativa metoder
Vår metod för individualisering TS och CPM parametrar syftar till att undanröja inverkan av golv och tak effekt på grund av variationer i perifer värmekänslighet. De metoder som presenteras bättre på tidigare metoder som publicerats av vår grupp med målen för både bredare fånga och tidseffektivitet. 11, 30 Fördelen med individualisering TS och CPM är förmågan att fånga tillstånd av stigande och fallande smärta bearbetning i ett brett spektrum av individer, vilket möjliggör användningen av dessa parametrar som en rimlig resultatmått för longitudinella studier.
Framtida Program eller Vägbeskrivning efter Mastering Technique
Framtida studier bör fokusera på ytterligare modifieringar för att spara tid, samla av TS och CPM uppgifter om stora populationer för att karakterisera olika dessa parametrar hos individer som är smärtfri vs dem med Chronic smärta, och om sambandet mellan mångfald i TS och CPM svar på specifika fysiologiska processer utöver windup och DNIC.
The authors have nothing to disclose.
We acknowledge funding support by K23 AT008477 (Kong), NIH K23 DA031808 (Johnson), and the Chris Redlich Endowment in Pain Research (Mackey, Dixon).
Medoc Pathway CHEPS system | Medoc Advanced Medical Systems | This system includes the machine to generate contact heat (Pathway), the thermode capable of rapid temperature change (CHEPS), and the Medoc software. | |
CoVAS accessory hardware with the CHEPS systems | Medoc Advanced Medical Systems | This device is a Medoc accessory that allows real-time pain rating by the participant. | |
Laptop Computer | Lenovo | This is the computer that runs the Medoc software and communicates with the Pathway machine. | |
Glove | Kimberly-Clark | Gloves are used to secure the thermode on the participant's thenar eminence. | |
Clear plastic box with a perforated dividing wall – filled with Ice and water | This box provides the cold water bath for the CPM task. | ||
Aquarium pump | Aquarium Systems Micro-Jet pump MC 450 | This pump circulates water, to maintain stable, even temperature in the cold water bath. | |
Infrared Thermometer | Exergen Temporal Scanner, model TAT 2000 | To monitor constantly the temperature of the water bath. | |
Stop Watch | Any handheld stop watch or stop watch built into a smartphone | To prompt the participant to rate pain at specific time pointds during the CPM task. |