Denna artikel fokuserar på den experimentella elicitering av smärta genom värme (termisk) och elektrisk stimulering under inspelning fysiologiska, visuell och Paralingvistisk Svaren. Det syftar till att samla in giltiga multimodala data för att analysera smärta baserat på dess intensitet, kvalitet och varaktighet.
Bedömning av smärta är oftast beroende av metoder som kräver en person att kommunicera. Men för personer med kognitiv och verbal nedskrivningar är befintliga metoder inte tillräckliga då de saknar reliabilitet och validitet. För att närma sig problemet, fokuserar senaste forskning på en objektiv smärtbedömning underlättas av parametrar av svaren som härrör från fysiologi och video- och ljudsignaler. För att utveckla tillförlitliga automatiserad smärta erkännande system, har ansträngningar gjorts att skapa multimodala databaser för att analysera smärta och upptäcka giltig smärta mönster. Medan resultaten är lovande, fokuserar de endast på diskriminerande smärta eller smärta stödnivåer kontra ingen smärta. För att för detta, bör forskning också överväga kvalitet och varaktighet av smärta, eftersom de ger ytterligare värdefull information för mer avancerad smärtlindring. För att komplettera befintliga databaser och analys av smärta när det gäller kvalitet och längd, föreslår detta papper en vilken Psykofysiologisk experimentet för att framkalla, mäta och samla in giltig smärta reaktioner. Deltagarna genomgår smärtsamma stimuli som skiljer sig intensitet (låg, medelhög och hög), duration (5 s / 1 min), och modalitet (värme / El smärta) medan ljud, video (t.ex. ansiktsuttryck, kropp gester, ansiktshud temperatur), och fysiologiska signaler (t.ex. EKG [EKG], hud konduktans nivå [SCL], ansiktsbehandling Elektromyografi [EMG] och EMG av M. trapezius) registreras. Studien består av en kalibrering att fastställa en persons individuella smärta (från lågt till outhärdlig smärta) och en stimulering fas i vilken smärta stimuli, beroende på intervallet kalibrerad, tillämpas. De erhållna uppgifterna kan förfina, förbättra och utvärdera automatiserad erkännande system när det gäller en objektiva smärtbedömning. För vidareutveckling av sådana system och att undersöka smärta reaktioner i mer detalj, ytterligare smärta formerna såsom tryck, bör kemiska eller kalla smärta ingå i framtida studier. Inspelade data från denna studie kommer att släppas som ”X-ITE smärta databas”.
Smärta är en mycket personlig och obehaglig känsla som uppfattas annorlunda av alla. Det varar från sekunder till månader och kan variera i dess kvalitet (bultande, skarp, brännande, etc.). Om behandlas otillräckligt, smärta påverkar fysiska och psykiska funktioner i kroppen, minskar livskvaliteten och bär risken för att bli ett kroniskt tillstånd. I klinisk vård är korrekt bedömning av smärtintensitet och kvalitet mycket relevant att ge framgångsrika pain management1,2. Gold standardmetoder för bedömning av smärta, såsom visuell analog skala (VAS), den numerisk skalan (NRS) eller McGill Pain frågeformulär3, förlita sig på egna rapporter om patienter och därmed fungerar bara tillräckligt med kognitivt och verbalt unimpaired personer. Följaktligen etablerade alla de metoder saknar giltighet och tillförlitlighet när det gäller nyfödda4, yrande, sövande, lugnande preparat, eller ventilerade patienter5, eller personer som lider av demens6,7. I komplement eller ett alternativ att själv rapportera skalor, har metoder för att mäta smärta genom observation av utbildad personal (t.ex. den Zurich Observation smärtbedömning8 eller Abbey Pain Scale9) utvecklats under de senaste åren. Dock lider även dessa verktyg av begränsningar i tillförlitlighet och giltighet, även utbildad bedömare kan inte garantera en objektiv bedömning. Programmet är dessutom ofta alltför tidskrävande för kliniska personalen när smärta bedömningen bör göras regelbundet.
Flera forskargrupper har fokuserat på att utveckla automatiserad smärta erkänner system, som tillåter för att mäta smärta av fysiologiska, visuell, eller Paralingvistisk signal anger som nya metoder för bedömning och övervakning smärta och dess intensitet objektivt. Tidigare studier visar lovande resultat i att upptäcka och att differentiera smärta10,11,12,13,16,17,18 eller diskriminerande smärta från grundläggande känslor14,15 baserat enbart på en av signalen anger10,11,12,13,14, 15 samt på en kombination/fusion16,17,19 av uppsättningar. De ovannämnda villkoren reagerar nästan självständigt stressande stimuli såsom smärta. Använder dem har fördelen att de inte kräver en persons förmåga att rapportera hans/hennes smärta. Sådana individer skulle stor nytta en objektiva smärta erkännandesystem som omfattar sådana metoder. Dataset bestående av reaktioner framkallade smärta ger värdefull information för att analysera smärta mönster och utveckla praktiska tillämpningar för att upptäcka och övervaka smärta. Bland annat Walter et al.20 skapade ”BioVid värme smärta databasen”, en multimodal databas som är allmänt tillgängliga och ger data från kort-tid inducerad smärtsamma värme stimuli och motsvarande vilken Psykofysiologisk och visuella reaktioner. ”SenseEmotion databasen” Velana et al.21 innehåller biosignaler, videor och Paralingvistisk information från volontärer påverkas av phasic värme smärta och känslomässiga stimuli.
Medan dessa databaser är väl lämpade för att undersöka smärta reaktioner, är de mestadels baserade på en viss smärta modell. Som smärta skiljer sig i dess kvalitet (förmodligen beroende på smärta modell) och dess varaktighet, det kan också skilja sig i dess fysiologiska, visuella och Paralingvistisk korrelerar. Till bäst av författarnas kunskap finns ingen multimodala studier eller databaser som kombinerar två eller flera smärta modeller och variera smärta stimuli i intensitet och varaktighet för att inte bara upptäcka smärta mönster men också skilja mellan smärta kvaliteter.
Detta dokument innehåller ett protokoll om hur man genomför en komplex vilken Psykofysiologisk experimentet för att framkalla smärta och samtidigt spela in fysiologiska reaktioner (t.ex. EKG, EMG av Musculus trapezius, wellpappmaskinen superciliioch zygomaticus stora, SCL) samt video (t.ex. ansiktsuttryck, kropp gester, ansiktshud temperatur) och ljuddata. Deltagarna är stimuleras med kort (phasic) och längre varaktig (tonic) värme och elektrisk smärta stimuli som varierar i intensitet. En kalibrering fas innan experimentet bestämmer smärttrösklar för varje ämne individuellt.
Studien syftar till att samla in multimodala data för att undersöka smärta (mönster) angående intensitet, kvalitet och längd med hjälp av statistiska metoder, machine learning algoritmer, etc. Dessutom planeras redan insamlade data publiceras för akademiska ändamål under namnet ”X-ITE (Experimentally jagorsakades av pantoprazolinducerade Thermal och Electrical) smärta databas”. Det kan förlänga befintliga databaser, till exempel BioVid värme smärta och SenseEmotion20,21, och bidra till ytterligare utveckling, förbättring eller utvärdering av system för automatiserad smärta erkännande i frågor av giltighet, tillförlitlighet och realtid erkännande.
Resten av tidningen är organiserad på följande sätt. Protokollet beskrivs hur du genomföra smärta elicitering studien steg för steg. Sedan, de representativa resultat presenterar resultatet av experimentet. Slutligen, diskussionen täcker kritiska moment, begränsningar och fördelar av studien följt av förslag för framtida filändelser.
Presenterade protokollet fokuserar på den experimentella elicitering av termisk (värme) och elektriska smärta medan inspelning fysiologiska, visuell och Paralingvistisk signaler. Detta nya synsätt, att kombinera två smärta modeller med olika stimuli stödnivåer och två olika stimuli varaktigheter (phasic och tonic), erbjuder ett brett perspektiv om vilken Psykofysiologisk mönster och uttryck av smärta. För förverkligandet av detta protokoll måste dock flera steg beaktas.
I allmänhet, om arbetar med smärta stimuli är det avgörande för att garantera säkerheten för försökspersonerna. Alla smärta stimuli måste kontrolleras mycket och bör endast utföras av erfarna praktiker.
Dessutom för att registrera och samla in tillförlitliga och högkvalitativa data, ordentlig fastsättning av enheter (elektroder), rekommenderas en perfekt fungerande inspelningsutrustning och en smidig kommunikation mellan datorer. Alla källor till störningar bör elimineras eller minskas till ett minimum. För att garantera konsekvens mellan deltagarna, är det viktigt att ge standardiserade instruktioner och oföränderliga försöksbetingelser.
Enligt vår erfarenhet, att hitta lämpliga deltagare som uppfyller alla kriterier och är villiga att ta emot många smärtsamma stimuli, tar lång tid och är ganska utmanande. I tillägg till detta, måste skadestånd vara tillräckligt hög för att locka individer till studien. Särskilt personer mellan 30 och 50 år är svåra att hitta. Detta kan bero på att experimentet är alltför lång (ca. 4 timmar, inklusive ankomst och avresa) och de måste ta en halvdag ledigt från arbetet.
Eftersom säkerheten för deltagarna är av högsta prioritet, kan smärta induktion behöva begränsas. På grund av etiska riktlinjer, får stödnivåerna som stimulans inte överskrida vissa nivåer för att förhindra brännskador och medvetslöshet när det gäller termisk och elektrisk smärta induktion, respektive. En allmän cutoff av intensiteter kan resultera i en tak effekt som vissa ämnen kan nå intensitet gränserna före känsla outhärdlig smärta. I denna studie nådde cirka 42% (med tanke på termisk kalibrering del 1 och 2) av deltagarna de termiska cutoffs (se representativa resultat). Som de inte nådde sin ”riktiga” smärta toleranser, kan deras fysiologiska Svaren till de högsta termiska stimuli fungera annorlunda i motsats till fysiologiska reaktioner individer som nått dem. I så fall kan blanda dessa två grupper påverka klassificeringen resultat när det gäller smärta erkännande.
En viktig punkt att adressen är smärta villkoren i detta experiment. Deltagarna utsätts endast för termisk och elektrisk smärta stimuli (på grund av att dessa är mycket kontrollerbar i en experimentell miljö). Således, om att undersöka smärta mönster när det gäller kvalitet, resultat kan inte översätta andra smärta metoder såsom tryck, kemiska eller visceral smärta.
Samma övervägande på överförbarhet av resultat gäller studien provet. Protokollet är etiskt begränsad till friska vuxna. Det omfattar exempelvis inte barn eller kognitivt och muntligt nedsatt personer. Dessutom i vår studie deltog endast europeiska personer. Även här, kan analysresultat inte gälla grupper som inte beaktas i detta experiment.
En annan begränsning kan gälla den Hawthorne effekt24: ämnen som känner att de blir filmade/observerades i studien. Detta kan ändra sitt beteende.
Jämfört med befintliga smärta databaser, protokollet ger stora fördelar för att analysera smärta svar mönster eftersom den kombinerar två smärta modeller och två tidsförlopp (phasic och tonic): förutom intensitet och varaktighet av smärta, anser det också kvaliteten av smärta. Som termisk smärta beskrivas annorlunda än elektriska smärta (t.ex. brännande kontra sharp), det kan också skilja sig i smärta reaktionerna. I så fall kan dessa konstateranden länka en smärta svar mönster till den underliggande källan för smärtan. Studien är dessutom multimodala att bredda utbudet av smärta utredning möjligheter: sysselsätter 5 vilken Psykofysiologisk signaler, 2 möta (fram/sida) kamera signaler, 1 kroppen Visa kamera signalen, 1 värmekamera och 1 audio signalen, smärta kan analyseras och bedömas mer exakt.
För en mer komplicerad utredning av smärta svar mönster, bör framtida förlängningar av denna metod omfatta mer biosignaler såsom elektroencefalografi (EEG), kroppstemperatur och andning. Det skulle också vara till stor nytta att anställa kontrollerade tryck som en ytterligare smärta-modell. Forskare syftar till automatisk smärta erkännande via data samlats in med detta protokoll bör ytterligare testa lovande maskinmodeller lärande med klinisk kontrollgrupper.
The authors have nothing to disclose.
Författarna vill tacka Verena Friedrich, Maria Velana, Sandra Gebhardt, Romy Bärwaldt och Tina Daucher för deras dyrbara hjälp vid genomförandet av studien. Dessutom går ett speciellt tack ut till Dr Stefanie Rukavina för hennes vetenskapliga stöd. Denna forskning var en del av DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) ”avancemang och systematiskt av en automatiserad smärta erkännande System on the Basis of ansikts uttryck och psykobiologiska valideringsparametrar” projekt, finansierat av den tyska forskningen Foundation.
PATHWAY Model ATS | Medoc Ltd., Ramat Yishai, Israel | Thermal Stimulator | |
30 mm x 30 mm ATS Thermode | Medoc Ltd., Ramat Yishai, Israel | Thermode | |
PATHWAY Software Arbel 6.3.7.22.1 | Medoc Ltd., Ramat Yishai, Israel | Thermal Stimulator Software | |
Digitimer DS7A Current Stimulator | Digitimer Ltd., Hertfordshire, UK | Electrical Stimulator | |
Inquisit 5 | Millisecond Software, Seattle, WA, USA | Software for triggering electrical stimuli | |
Analogue-To-Digital Converter | Wissenschaftliche Werkstatt Elektronik, University of Ulm, Ulm, Germany | custom built | |
BIOPAC MP150 System | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | Biosignal Recording Hardware | |
AcqKnowledge Software 4.1.1 | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | Biosignal Recording Software | |
NTG-2 Dual Powered Directional Condenser Microphone | RØDE Microphones, Silverwater, Australia | Audio Recording Microphone | |
Kinect v2 | Microsoft, Redmond, WA, USA | Body View Camera | |
AV Pike F-145C | Allied Vision Technologies GmbH, Stadtroda, Germany | Face Camera (frontal view) | |
AV Prosilica GT 1600C | Allied Vision Technologies GmbH, Stadtroda, Germany | Face Camera (side view) | |
PIR uc 180 Thermal Camera | InfraTec GmbH, Dresden, Germany | Thermal Face Camera | |
Synchronization Hardware | Werkstatt, IIKT, University of Magdeburg, Magdeburg, Germany | custom built | Hardware triggering of cameras, trigger signal is recorded by BIOPAC and Audacity |
Recording and Synchronization Software | Philipp Werner, Neuro-Information Technology, University of Magdeburg, Magdeburg, Germany | custom software | Real-time recording, offline video encoding, and offline synchronization |
Examination Couch | ClinicalCare GmbH, Bremen, Germany | ||
Ag-AgCl Electrodes EL254 / EL254S (Reusable, 4mm recording diameter) | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | Used to record EMG M. corrugator and M. zygomaticus | |
Ag-AgCl Electrodes BlueSensor P (Disposable, skin contact size: 34 mm diameter, measuring area 154 mm2) | Ambu GmbH, Bad Nauheim, Germany | Used to record ECG and EMG M. trapezius. Also used for electrical stimulation | |
Audacity 2.1.2 | Dominic Mazzoni (Audacity) | Audio Recording Software | |
Cold Gel Pack | C+V Pharma Depot GmbH, Versmold, Germany | ||
Panthenol 50mg/g | ratiopharm GmbH, Ulm, Germany | Ointment | |
Alumnium Profiles | item Industrietechnik GmbH, Solingen, Germany | Used to install all cameras and microphone | |
Electrode Gel GEL1 | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | ||
ELPREP Skin Preparation Gel | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA |