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方法文章

使用与脑电图耦合的平头探针测量新生儿伤害性刺激诱发的脑电活动

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DOI：

10.3791/56531

⸱

2017年11月29日

 ,  ,  ,  , 
1Division of Neonatology, University of Basel Children's Hospital, 2Divison of Neuropediatrics and Developmental Medicine, University of Basel Children's Hospital

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

对无语言能力患者进行疼痛测量具有挑战性。在本研究中，我们结合脑电图（EEG）记录与扁平探针刺激，以客观方式检测有害刺激诱发的脑部活动。

摘要

疼痛是一种令人不适的感觉和情绪体验。对于无语言表达能力的患者，即使使用疼痛评估工具，测量疼痛也极为困难。这些工具往往具有主观性，或依赖于某些生理学间接指标，而这些指标在评估镇痛效果时存在特定局限性。由于大脑皮层的处理对痛觉感知至关重要，因此脑活动的测量可能为评估婴儿疼痛提供一种有效途径。本文介绍一种通过优化的新生儿脑电生理活动记录来评估伤害性感受的方法。为产生高度标准化且可重复的伤害性刺激，我们采用带有平头探针的机械刺激。 例如，针刺（PinPrick），不刺破皮肤且不会引起行为上的痛苦反应。伤害性刺激诱发电位可对无语言表达能力的患者进行伤害感受的客观测量。该方法可用于胎龄早至34周的新生儿。此外，还可应用于不同情境，如评估镇痛或麻醉药物的疗效。

引言

疼痛是一种与实际或潜在组织损伤相关，或以此类损伤来描述的不愉快的感觉和情绪体验1。个体无法用语言表达并不意味着其没有经历疼痛，但这使得对镇痛治疗效果的评估变得极具挑战性，例如在新生儿中即是如此2。目前采用多种行为和生理指标来评估无语言表达能力患者的疼痛。多年来已开发出不同的评估量表，其选择取决于刺激类型、胎龄以及新生儿所处的环境3,4,5。这些疼痛评估工具要么依赖于评估者的主观判断，要么需要依赖次要的生理指标。

在本视频中，我们介绍一种通过优化用于新生儿的电生理记录来评估伤害性感受的方法。伤害性感受定义为神经系统对有害刺激进行编码的神经过程。因此，量化伤害性感受是一种优雅且客观的方法，可用于确定无语言表达能力个体的神经传入活动。此外，通过脑电图（EEG）检测到的皮层活动与有害刺激的强度相关5,6。

本文介绍的方法结合了脑电图（EEG）记录与由平头探针产生的有害机械刺激（也称为针刺刺激7），该刺激不会穿透皮肤，也不会引起行为上的痛苦反应6。已有研究表明，点状刺激引发的伤害性感受主要由Aδ纤维介导，无需造成皮肤破损8，且伤害性特异性电位的幅度不受睡眠状态影响9。在新生儿研究中应用该方法时，这种探针也易于被家长接受。探针通过电子方式连接至脑电记录系统，可在探针接触皮肤的瞬间对脑电记录进行精确标记。这大大简化了时间锁定的过程，并为后续所有脑电分析提供了基础。为了尽量减少婴儿脑电记录前的准备时间，我们采用了一种改良的国际10/20电极放置系统，将电极数量减少至最少三个电极的配置（图1）。其中包含中央头顶Cz电极（伤害性刺激诱发的脑电活动在此处最强9,10,11），以及一个参考电极和一个接地电极。

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方案

该研究已获得瑞士西北伦理委员会（EKNZ 2015-079）的批准，并在测量前获得了参与者家长的知情书面同意。

1. 准备

  1. 确保婴儿处于安静状态。记录过程中应保持安静且无吸吮动作，以避免运动伪迹。婴儿可以处于睡眠状态9。
  2. 使用卷尺测量新生儿的头围，以确定脑电图（EEG）帽的尺寸。
  3. 确定有源电极位置：通过皮肤标记笔标出鼻根点与枕外隆突之间的中点，以及左右耳前点之间的中点，该交点即为Cz/头顶位置。电极定位方法参见图1。
  4. 确定接地电极位置：右侧前额（Fp2），以及参考电极位置：左侧乳突（A1）。
  5. 使用棉签蘸取消毒剂清洁电极放置部位（Cz、Fp2和A1）。若毛发较多，需分开毛发以暴露头皮。
  6. 使用棉签蘸取脑电图准备膏轻轻擦拭电极部位，以降低阻抗。
  7. 将带有电极的脑电图帽放置于新生儿头部。
  8. 使用带有短塑料针头的注射器向电极内注入导电脑电图凝胶，以优化电极与头皮之间的接触。
  9. 调整电极，直至阻抗低于50 kΩ，具体操作请参照设备制造商的建议及已发表的指南12。
  10. 放置摄像头以记录新生儿的面部表情。
  11. 将平头探针连接至固定在脑电记录设备上的接触触发装置。当平头探针对皮肤施加达到标称力度时，接触触发装置将生成触发信号。该信号被发送至计算机，在脑电记录中标记触发时间点。

2. 测量

  1. 选择一个研究名称以存储数据。
  2. 添加在线带通滤波器：
    1. 显示滤波器：
      低截止滤波器：频率：1 Hz
      高截止滤波器：频率：70 Hz
      陷波滤波器：50 Hz
      采样率：2000 Hz
  3. 开始脑电图（EEG）和视频记录。
  4. 将新生儿的右手保持在水平位置。刺激也可施加于其他部位，例如 足部，此时潜伏期将比手部长，详见第3.7节。
  5. 首先记录背景脑电活动。在保持新生儿手部不动的同时，手动标注脑电图记录中未施加刺激且婴儿处于静息状态的时间段。
  6. 根据研究设计，在新生儿右手施加所需数量的平头探针刺激。在本实验设计中，设定平头探针刺激次数为50次。注意将平头探针垂直作用于新生儿手部，以避免探针弯曲并确保施加正确的力。进行平头探针刺激时，刺激间间隔（ISI）至少为2至3秒6，以避免叠加效应。
  7. 停止所有记录。
  8. 记录实验设置的详细信息。

3. 数据分析

  1. 使用1 Hz的高通滤波器和30 Hz的低通滤波器对原始脑电图（EEG）数据进行离线滤波。
  2. 将数据分割为1,500 ms的时间段（刺激开始前500 ms至刺激开始后1,000 ms）。
  3. 对刺激前时间段进行基线校正。
  4. 通过目视检查，手动剔除包含伪迹（如运动伪迹和噪声）的EEG时间段。另请参见教程说明：https://sccn.ucsd.edu/wiki/Chapter_01:_Rejecting_Artifacts
  5. 分别对EEG时间段进行平均（背景活动和刺激反应分别处理）。
  6. 在刺激开始后0 - 1,000 ms的时间窗内，对数据进行Woody滤波，最大时间抖动为±50 ms，以允许婴儿之间的潜伏期差异。背景活动和刺激反应需分别进行此操作。
  7. 将一个在独立数据集中定义的、已在他处详细描述的有害刺激诱发脑活动模板11投影到数据上，以确定每个单独试验中有害刺激诱发反应的幅度。该模板描述了有害刺激诱发反应的特征性波形，而幅度则反映了单个试验中此类反应的强度。
    注意：投影模板的时间窗取决于婴儿的胎龄和刺激位置。若刺激施加于手部，则感兴趣的时间窗为刺激后200 - 500 ms11；若刺激施加于足部，则感兴趣的时间窗为刺激后400 - 700 ms11。需注意，该模板目前仅在胎龄34 - 43周的婴儿中得到验证。有关使用该模板的详细方法及其局限性的讨论，请参见Hartley et al. 201711。
  8. 检查使用模板计算得到的有害刺激诱发脑活动幅度在刺激后是否显著高于背景脑电活动。
  9. 随后分析行为面部表情（摄像机与脑电记录同步），采用新生儿面部编码系统2,13进行分析。

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结果

图1 是使用改良国际10/20电极放置系统进行电极定位的示意图。图2 显示了在对新生儿右手施加一次有害刺激（使用平头探针，作用力为32 mN）前后不久记录到的脑电活动，刺激操作如实验方案中所述（图2A）。伤害性刺激诱发的反应在刺激开始后约300 ms（时间0）可见。图2B 展示了对同一名患者施加50次32 mN力刺激后的平均反应。注意，当施加更多刺激时，伤害性刺激诱发的电位会更加清晰。如图2C 所示，可使用伍迪滤波（Woody filtering）来校正反应潜伏期中的轻微变异。预定义模板11（以红色显示）被投射到脑电信号上，用于计算伤害性刺激诱发反应的幅度。

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讨论

本文介绍了一种通过脑电图记录结合平头探针刺激器施加实验性有害刺激，以客观测量新生儿有害刺激诱发脑活动的方法。该技术可用于多种临床环境以检测伤害性感受， 例如 对于新生儿等非语言人群，整个研究过程可在15分钟内完成，包括放置婴儿、识别、准备和安放电极，以及最终施加并记录50次有害刺激。这些刺激不会引起婴儿的行为痛苦，该方法为评估婴儿的伤害性感受提供了一种客观的手段。

在本研究中，我们使用了施加32 mN轻度力的平头探针刺激。在新生儿中也可使用64 mN或128 mN的较大力量，但可能因肢体回缩而增加运动伪迹。我们注意到，在本研究中新生儿对32 mN的刺激耐受良好，未出现肢体回缩，而128 mN的刺激则引起双侧反射性回缩6。已有研究表明，伤害性诱发电位的幅度随平头探针刺激力量的增加而增大（32 mN与64 mN相比）6,14。Verriotis等人显示，1岁儿童的事件相关顶点电位幅度高于新生儿，并且疼痛评...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者谨此感谢 Caroline Hartley 和 Rebeccah Slater（英国牛津大学儿科系）对本文的审阅，以及 Walter Magerl（德国海德堡大学曼海姆生物医学与医学技术中心（CBTM）神经生理学系）在技术设备和专业知识方面提供的支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
EasycapEASYCAP GmbHAC-32-C适用于34和36号婴儿的EEG帽
actiCAPBrain Products GmbHBP-04243-SIG有源电极
ImpBoxBrain Products GmbH阻抗测量
V-AmpBrain Products GmbH脑电图记录设备
针刺刺激的接触触发装置MRC Systems GmbH
PinPrick 刺激器套装MRC Systems GmbH
脑电图准备膏USB 药房含有氯化钠、浮石、丙二醇
SuperViscEASYCAP GmbH用于主动电极的电解质凝胶
Brain Vision RecorderBrain Products GmbH
Brain Vision AnalyzerBrain Products GmbH
使用 EEGLAB 的 MATLAB

加州大学圣地亚哥分校斯沃茨计算神经科学中心用于脑电图处理，包括对所有脑电图片段进行平均

参考文献

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