Ten artykuł skupia się na eksperymentalnym wywoływaniu bólu za pomocą stymulacji cieplnej (termicznej) i elektrycznej, rejestrując jednocześnie reakcje fizjologiczne, wzrokowe i parajęzykowe. Ma na celu zebranie ważnych danych multimodalnych do analizy bólu w oparciu o jego intensywność, jakość i czas trwania.
Artykuł metodologiczny
Sygnały multimodalne do analizy reakcji bólowych na bodźce termiczne i elektryczne
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ocena bólu opiera się głównie na metodach, które wymagają od osoby komunikacji. Jednak dla osób z zaburzeniami poznawczymi i werbalnymi istniejące metody nie są wystarczające, ponieważ brakuje im wiarygodności i trafności. Aby podejść do tego problemu, ostatnie badania koncentrują się na obiektywnej ocenie bólu, którą ułatwiają parametry reakcji wynikające z fizjologii oraz sygnałów wideo i audio. Aby opracować niezawodne zautomatyzowane systemy rozpoznawania bólu, podjęto wysiłki w celu stworzenia multimodalnych baz danych w celu analizy bólu i wykrywania prawidłowych wzorców bólu. Chociaż wyniki są obiecujące, koncentrują się tylko na rozróżnianiu bólu lub intensywności bólu w porównaniu z brakiem bólu. Aby to osiągnąć, badania powinny również uwzględniać jakość i czas trwania bólu, ponieważ dostarczają one dodatkowych cennych informacji do bardziej zaawansowanego leczenia bólu. W celu uzupełnienia istniejących baz danych i analizy bólu pod kątem jakości i długości, w niniejszym artykule zaproponowano eksperyment psychofizjologiczny w celu wywołania, zmierzenia i zebrania prawidłowych reakcji bólowych. Uczestnicy są poddawani bolesnym bodźcom, które różnią się intensywnością (niska, średnia i wysoka), czasem trwania (5 s / 1 min) i modalnością (ciepło / ból elektryczny) podczas sygnałów audio, wideo (np. mimika twarzy, gesty ciała, temperatura skóry twarzy) i fizjologicznych (np. elektrokardiogram [EKG], poziom przewodnictwa skóry [SCL], elektromiografia twarzy [EMG] i EMG M. trapezius) są rejestrowane. Badanie składa się z fazy kalibracji w celu określenia indywidualnego zakresu bólu pacjenta (od bólu niskiego do nieznośnego) oraz fazy stymulacji, w której stosowane są bodźce bólowe, w zależności od skalibrowanego zakresu. Uzyskane dane mogą pozwolić na udoskonalenie, ulepszenie i ocenę automatycznych systemów rozpoznawania pod kątem obiektywnej oceny bólu. W celu dalszego rozwoju takich systemów i bardziej szczegółowego zbadania reakcji bólowych, w przyszłych badaniach powinny zostać uwzględnione dodatkowe metody leczenia bólu, takie jak ból uciskowy, chemiczny lub zimny. Zarejestrowane dane z tego badania zostaną opublikowane jako "X-ITE Pain Database".
Wprowadzenie
Ból to bardzo osobiste i nieprzyjemne uczucie, które jest odbierane inaczej przez każdego. Trwa od kilku sekund do miesięcy i może różnić się jakością (pulsowanie, ostry, pieczenie itp.). Nieodpowiednio leczony ból wpływa na fizyczne i psychiczne funkcje organizmu, obniża jakość życia i niesie ze sobą ryzyko, że stanie się chorobą przewlekłą. W opiece klinicznej dokładna ocena intensywności i jakości bólu jest bardzo istotna dla zapewnienia skutecznego leczenia bólu1,2. Złoty standard metod oceny bólu, takich jak wizualne skale analogowe (VAS), numeryczna skala oceny (NRS) lub Kwestionariusz Bólu McGill3, opierają się na samoopisach pacjentów, a zatem działają wystarczająco tylko w przypadku osób nieupośledzonych poznawczo i werbalnie. W związku z tym wszystkie te uznane metody nie są trafne i wiarygodne, jeśli chodzi o noworodki4, pacjentów majaczących, sennych, uspokojonych lub wentylowanych5, lub osób cierpiących na demencję6,7. Oprócz skal samoopisowych lub jako alternatywa dla nich, w ostatnich latach opracowano metody pomiaru bólu poprzez obserwację przez przeszkolony personel (np. Zurich Observation Pain Assessment8 lub Abbey Pain Scale9). Niemniej jednak nawet te narzędzia mają ograniczenia w zakresie wiarygodności i trafności, ponieważ nawet przeszkoleni oceniający nie są w stanie zagwarantować obiektywnej oceny. Co więcej, aplikacja jest często zbyt czasochłonna dla personelu klinicznego, podczas gdy ocena bólu powinna być wykonywana regularnie.
Kilka zespołów badawczych skupiło się na rozwoju zautomatyzowanych systemów rozpoznawania bólu, które pozwalają na mierzenie bólu za pomocą fizjologicznych, wizualnych i/lub paralingwistycznych zestawów sygnałów, jako nowe podejścia do obiektywnej oceny i monitorowania bólu i jego intensywności. Wcześniejsze badania wykazały obiecujące wyniki w wykrywaniu i różnicowaniu bólu10,11,12,13,16,17,18 lub odróżnianie bólu od podstawowych emocji14,15 wyłącznie na podstawie jednego z sygnałów sets10,11,12,13,14,15 a także na kombinacji/fusion16,17,19 zestawów. Wyżej wymienione modalności reagują niemal autonomicznie na bodźce stresowe, takie jak ból. Korzystanie z nich ma tę zaletę, że nie wymagają one od danej osoby zdolności do zgłaszania swojego bólu. Takie osoby odniosłyby ogromne korzyści z obiektywnego systemu rozpoznawania bólu, który obejmuje takie modalności. Zestawy danych składające się z reakcji na wywołany ból dostarczają cennych informacji do analizy wzorców bólu i opracowywania praktycznych zastosowań do wykrywania i monitorowania bólu. Między innymi Walter i wsp.20 stworzyli "BioVid Heat Pain Database", multimodalną bazę danych, która jest publicznie dostępna i dostarcza danych z krótkotrwałych indukowanych bolesnych bodźców cieplnych oraz odpowiadających im reakcji psychofizjologicznych i wizualnych. "Baza danych SenseEmotion" Velany et al.21 zawiera biosygnały, filmy i informacje paralingwistyczne od ochotników dotkniętych bólem cieplnym fazowym i bodźcami emocjonalnymi.
Chociaż te bazy danych są dobrze przystosowane do badania reakcji bólowych, są one głównie oparte na jednym konkretnym modelu bólu. Ponieważ ból różni się jakością (przypuszczalnie w zależności od modelu bólu) i czasem trwania, może również różnić się korelatami fizjologicznymi, wzrokowymi i parajęzykowymi. Zgodnie z najlepszą wiedzą autorów, nie istnieją żadne badania multimodalne ani bazy danych, które łączyłyby dwa lub więcej modeli bólu i różnicowały bodźce bólowe pod względem intensywności i czasu trwania, aby nie tylko wykryć wzorce bólu, ale także rozróżnić jego cechy.
Ten artykuł zawiera protokół, jak przeprowadzić złożony eksperyment psychofizjologiczny w celu wywołania bólu i jednoczesnego rejestrowania reakcji fizjologicznych (np. EKG, EMG mięśnia czworobocznego, karbującego górnego i jarzmowego większego, SCL), a także wideo (np. mimika twarzy, gesty ciała, temperatura skóry twarzy) oraz danych audio. Uczestnicy są stymulowani krótkotrwałym (fazowym) i dłużej utrzymującym się (tonicznym) ciepłem oraz elektrycznymi bodźcami bólowymi, które różnią się intensywnością. Faza kalibracji poprzedzająca eksperyment określa progi bólu dla każdego pacjenta indywidualnie.
Badanie ma na celu zebranie danych multimodalnych do badania bólu (wzorców) dotyczących intensywności, jakości i długości za pomocą metod statystycznych, algorytmów uczenia maszynowego itp. Dodatkowo, już zebrane dane mają być opublikowane dla celów badań naukowych pod nazwą "X-ITE (Experimentalnie wyduknąłem Thermal i ELekcjalna) Baza danych bólu". Może rozszerzyć istniejące bazy danych, takie jak BioVid Heat Pain i SenseEmotion20,21, i przyczynić się do dalszego rozwoju, ulepszenia i/lub oceny automatycznych systemów rozpoznawania bólu pod względem ważności, niezawodności i rozpoznawania w czasie rzeczywistym.
Reszta artykułu jest zorganizowana w następujący sposób. W protokole opisano, jak krok po kroku przeprowadzić badanie wywołania bólu. Następnie reprezentatywne wyniki prezentują wynik eksperymentu. Na koniec dyskusja obejmuje kluczowe kroki, ograniczenia i korzyści płynące z badania, a następnie sugestie dotyczące przyszłych rozszerzeń.
Protokół
Badanie przeprowadzono zgodnie z wytycznymi etycznymi określonymi w Deklaracji Helsińskiej Światowego Stowarzyszenia Lekarzy (uzyskano zgodę komisji etycznej: 196/10-UBB/bal) i zostało ono zatwierdzone przez komisję etyczną Uniwersytetu w Ulm (Helmholtzstraße 20, 89081 Ulm, Niemcy).
1. Rekrutacja i wybór uczestników
- Zrekrutować równą liczbę zdrowych kobiet i mężczyzn w wieku od 18 do 50 lat za pomocą plakatów, ulotek, ogłoszeń w lokalnej prasie oraz mediów społecznościowych, aby uzyskać reprezentatywną próbę ogólną. Poinformować o korzyściach naukowych płynących z badania i zaoferować wynagrodzenie pieniężne. Podać numer telefonu lub adres e-mail w celu uzyskania dalszych informacji.
UWAGA: Efekty związane z wiekiem w zakresie wrażliwości na ból są dobrze udokumentowane22 i powinny zostać uwzględnione podczas doboru próby. Aby uniknąć zakłócenia wyników przez wpływ wieku, wybrano grupę osób młodszych, zgodnie z podejściem Lautenbacher i wsp.22. - Wykluczyć potencjalnych uczestników, którzy spełniają którekolwiek z następujących kryteriów: cierpią na przewlekły ból, depresję lub mają w wywiadzie zaburzenia psychiatryczne; cierpią na schorzenia neurologiczne, zespół bólów głowy lub choroby układu sercowo-naczyniowego; regularnie przyjmują leki przeciwbólowe lub stosowali środki przeciwbólowe bezpośrednio przed eksperymentem.
2. Ogólne przygotowania do eksperymentu wywoływania bólu
UWAGA: Eksperyment wywoływania bólu składa się z dwóch następujących po sobie części: części kalibracyjnej oraz części stymulacji bólowej. Część kalibracyjna służy do określenia indywidualnego progu bólu oraz poziomu tolerancji bólu uczestnika w odniesieniu do bodźców termicznych i elektrycznych. W części stymulacji bólowej przeprowadza się indukcję bólu dostosowaną do indywidualnych progów. Każda część eksperymentu odbywa się w innym pomieszczeniu: w pokoju kalibracyjnym i w pokoju eksperymentalnym. Pokój kalibracyjny służy również jako pomieszczenie monitoringu dla eksperymentatora podczas części stymulacji bólowej (patrz Rysunek 1).
Rysunek 1: Schematyczne przedstawienie organizacji pomieszczeń. Po prawej stronie znajduje się pomieszczenie kalibracyjne/monitorujące, w którym odbywa się etap kalibracji. Później służy ono również jako pomieszczenie do monitorowania sygnału podczas etapu stymulacji bólowej, który następuje po kalibracji. Po lewej stronie znajduje się pomieszczenie eksperymentalne, w którym odbywa się etap stymulacji bólowej. Oba pomieszczenia są połączone kanałem przesyłowym, przez który mogą zostać przeprowadzone termoda, kable elektrod stymulatora elektrycznego oraz przewody komputerowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
- Przywitaj przybyłego badanego i zaprowadź go do pomieszczenia kalibracyjnego. Poinformuj uczestnika szczegółowo o 3-godzinnym eksperymencie oraz o możliwości jego przerwania w dowolnym momencie bez żadnych negatywnych konsekwencji. Uzyskaj pisemną świadomą zgodę na udział w eksperymencie oraz pisemne potwierdzenie, że żadne z kryteriów wykluczających nie ma zastosowania. Przygotuj pokwitowanie i rekompensatę pieniężną.
- Używaj stymulatorów z oznakowaniem CE, które umożliwiają wywołanie ściśle kontrolowanych bodźców termicznych i elektrycznych. Wykorzystaj przetworniki analogowo-cyfrowe, które konwertują analogowe bodźce termiczne i elektryczne na sygnały cyfrowe w celu ich rejestracji. Włącz stymulator termiczny i elektryczny.
- Do kalibracji i głównej części eksperymentu wykorzystaj odpowiednie oprogramowanie, które umożliwia ręczne i/lub automatyczne wyzwalanie bodźców termicznych i elektrycznych. Uruchom oprogramowanie stymulatora termicznego i elektrycznego. Przygotuj ołówek i papier do zapisywania natężeń bodźców oraz odpowiadających im natężeń bólu zgłaszanych przez uczestnika.
- Poproś badanego o wygodne usiądnięcie na krześle z podłokietnikiem po prawej stronie. Przed badanym umieść wydrukowaną skalę ocen od 0 do 100 w krokach co 5, z punktem zakotwiczenia 0/brak bólu po lewej stronie i punktem zakotwiczenia 100/ból niezniesiony po prawej stronie. Poleć badanemu werbalną ocenę natężenia bólu wywołanego bodźcem niezwłocznie po poproszeniu o to, korzystając z dostarczonej skali. Dokładnie wyjaśnij, że tylko zero oznacza „brak bólu”, podczas gdy 100 odpowiada bodźcowi, którego nie można już tolerować.
UWAGA: W niniejszym badaniu „tolerancja bólu” jest rozumiana jako natężenie bodźca, którego badany nie jest w stanie już znieść, co oznacza tutaj: nie może go już tolerować. Zatem punkt zakotwiczenia 100 jest oznaczony jako ból niezniesiony, w przeciwieństwie do numerycznej skali ocen stosowanej w praktyce klinicznej.
3. Kalibracja elektrycznego progu bólu i tolerancji (części 1 i 2)
UWAGA: Aby zminimalizować wpływ czynników społecznych na wrażliwość na ból, część kalibracyjną powinien przeprowadzać tylko jeden eksperymentator. Należy wybrać eksperymentatora tej samej płci co uczestnik, aby zminimalizować wpływ różnic między płciami na wrażliwość na ból23. Część 1 służy do określenia progu i tolerancji bólu w odniesieniu do krótkotrwałych (fazowych) bodźców elektrycznych, a część 2 w odniesieniu do dłużej trwających (tonicznych) bodźców elektrycznych. Wartości te stanowią podstawę do obliczenia fazowych i tonicznych bodźców bólowych stosowanych w części stymulacji bólowej.
- Oczyść skórę prawego palca wskazującego i środkowego uczestnika roztworem alkoholu. Umieść jedną jednorazową elektrodę Ag/AgCl (rozmiar powierzchni styku ze skórą: średnica 34 mm) na górnej stronie paliczka środkowego prawego palca wskazującego (anoda) oraz drugą na górnej stronie paliczka bliższego prawego palca środkowego (katoda). Podłącz elektrody do stymulatora elektrycznego.
- Poproś badanego o wygodne oparcie prawego ramienia na podłokietniku i przekaż mu instrukcje dotyczące poniższej procedury.
UWAGA: Oto przykład sformułowania instrukcji dla części 1 kalibracji elektrycznej: „Będzie Pan/Pani doświadczać krótkich stymulacji elektrycznych o różnym natężeniu. Zaczynamy od bardzo niskiego natężenia. Najpierw proszę wskazać moment, w którym po raz pierwszy poczuje Pan/Pani słaby ból. Będzie to Pana/Pani „Próg Bólu”. Aby wyznaczyć ten próg, uruchomię stymulację elektryczną i tuż przed jej zakończeniem powiem „Teraz”. W tym momencie należy natychmiast zgłosić, czy stymulacja była bolesna, oceniając ją w skali od zera do stu. Jeśli stymulacja nie była bolesna, proszę podać wartość „Zero”. Następnie zwiększę natężenie. Po tym, jak pierwszy raz poda Pan/Pani liczbę większą od zera, zmniejszę natężenie o kilka poziomów i powtórzymy całą procedurę, aż ponownie wskaże Pan/Pani liczbę większą od zera. Robimy to w celu walidacji „Progu Bólu”. Następnie będę powoli zwiększać natężenie do momentu, w którym oceni Pan/Pani stymulację na „Sto”, co oznacza, że nie jest Pan/Pani w stanie już znieść tego bólu. Będzie to Pana/Pani „Poziom Tolerancji Bólu”. Ponownie, aby zwalidować ten poziom, wrócę o kilka poziomów niżej i powtórzymy procedurę, aż po raz drugi zgłosi Pan/Pani wartość „Sto”. Gdy tylko powie Pan/Pani „Sto”, natychmiast przerwę stymulację”. - Rozpocznij część 1 kalibracji elektrycznej, uruchamiając stymulację o natężeniu 0.5 mA (400 V) i czasie trwania 5 s, klikając przycisk start w oprogramowaniu stymulatora elektrycznego.
UWAGA: Każda stymulacja elektryczna w części 1 kalibracji elektrycznej trwa 5 s. Stymulacja składa się ze 100 pojedynczych wstrząsów elektrycznych o czasie trwania 2 ms każdy, rozłożonych równomiernie w ciągu 5 s.
OSTREŻENIE: Kalibracja elektryczna zawsze rozpoczyna się od 0.5 mA i ma wartość odcięcia na poziomie 25 mA, aby zapobiec utracie przytomności i sytuacjom zagrażającym życiu. - Powiedz „Teraz” w 4. sekundzie stymulacji. Zapisz liczbę podaną przez badanego dla odpowiadającego natężenia stymulacji. Zachowaj 10 s przerwy.
- Jeśli badany poda wartość zero, zwiększ natężenie o 0.5 mA, uruchom stymulację i wróć do kroku 3.4. W przeciwnym razie zmniejsz natężenie o 1.5 mA (minimum: 0.5 mA), uruchom stymulację i wróć do kroku 3.4. Gdy badany po raz drugi poda liczbę większą od zera, oblicz średnią z dwóch natężeń odpowiadających wartości zero, zapisz ją i oznacz jako „fazowy elektryczny próg bólu” (pEPTh). Następnie przejdź do kroku 3.6.
- Zwiększ natężenie prądu o 0.5 mA i uruchom stymulację.
- Powiedz „Teraz” po 4 s od rozpoczęcia stymulacji. Zapisz liczbę podaną przez badanego dla odpowiadającego natężenia stymulacji. Zachowaj 10 s przerwy.
- Jeśli badany poda wartość poniżej 100, zwiększ natężenie o 0.5 mA, uruchom stymulację i wróć do kroku 3.7. W przeciwnym razie zmniejsz natężenie o 1.5 mA (minimum: 0.5 mA), uruchom stymulację i wróć do kroku 3.7. Gdy badany po raz drugi poda wartość 100, oblicz średnią z dwóch natężeń odpowiadających wartości 100, zapisz ją i oznacz jako „fazowa elektryczna tolerancja bólu” (pEPTo). Przejdź do kroku 3.9.
- Poinformuj uczestnika o części 2 kalibracji elektrycznej.
UWAGA: Przykładowa instrukcja do części 2 kalibracji elektrycznej: „Ponownie zaczynamy od niskiego natężenia, ale tym razem stymulacje będą dłuższe. Powiem „Teraz” dwa razy: zaraz po rozpoczęciu i tuż przed zakończeniem stymulacji. Za każdym razem, gdy powiem „Teraz”, proszę podać liczbę, tak jak w pierwszej części. Po tym, jak pierwszy raz poda Pan/Pani liczbę większą od zera, zmniejszę natężenie o kilka poziomów i powtórzymy całą procedurę w celu walidacji, aż ponownie wskaże Pan/Pani liczbę większą od zera. Następnie będę powoli zwiększać natężenie do momentu, w którym oceni Pan/Pani stymulację na „Sto”. Ponownie, aby zwalidować ten próg, wrócę o kilka poziomów niżej i powtórzymy procedurę, aż po raz drugi zgłosi Pan/Pani wartość „Sto”. Gdy tylko powie Pan/Pani „Sto”, natychmiast przerwę stymulację”. - Rozpocznij część 2 kalibracji elektrycznej, uruchamiając stymulację o natężeniu 0.5 mA (400 V) i czasie trwania 10 s, klikając przycisk start w oprogramowaniu stymulatora elektrycznego.
UWAGA: Każda stymulacja elektryczna w części 2 kalibracji elektrycznej trwa 10 s. Stymulacja składa się z 200 pojedynczych wstrząsów elektrycznych o czasie trwania 2 ms każdy, rozłożonych równomiernie w ciągu 10 s. - Powiedz „Teraz” po 1 s od rozpoczęcia stymulacji. Zapisz liczbę podaną przez badanego dla odpowiadającego natężenia stymulacji. Powiedz „Teraz” 1 s przed zakończeniem stymulacji i ponownie zapisz liczbę, którą badany teraz podaje dla odpowiadającego natężenia stymulacji. Zachowaj 10 s przerwy.
- Jeśli oba zgłoszenia badanego wynoszą zero, zwiększ natężenie o 0.5 mA, uruchom stymulację i wróć do kroku 3.11. W przeciwnym razie zmniejsz natężenie o 1.5 mA (minimum: 0.5 mA), uruchom stymulację i wróć do kroku 3.11. Gdy badany po raz drugi poda liczbę większą od zera, oblicz średnią z dwóch natężeń odpowiadających wartości zero, zapisz ją i oznacz jako „toniczny elektryczny próg bólu” (tEPTh). Następnie przejdź do kroku 3.13.
- Zwiększ natężenie prądu o 0.5 mA i uruchom stymulację.
- Powiedz „Teraz” po 1 s od rozpoczęcia stymulacji. Zapisz liczbę podaną przez badanego dla odpowiadającego natężenia stymulacji. Powiedz „Teraz” 1 s przed zakończeniem stymulacji. Ponownie zapisz liczbę, którą badany teraz podaje dla odpowiadającego natężenia stymulacji. Zachowaj 10 s przerwy.
- Jeśli oba zgłoszenia badanego są poniżej 100, zwiększ natężenie o 0.5 mA, uruchom stymulację i powtórz kroki 3.14‒3.15. Jeśli natomiast którekolwiek ze zgłoszeń badanego wynosi dokładnie 100, zmniejsz natężenie o 1.5 mA (minimum: 0.5 mA), uruchom stymulację i powtórz kroki 3.14‒3.15. Gdy badany po raz drugi poda wartość 100, oblicz średnią z dwóch natężeń odpowiadających wartości 100, zapisz ją i oznacz jako „toniczna elektryczna tolerancja bólu” (tEPTo). Następnie przejdź do kroku 3.16.
- Odłącz elektrody od stymulatora elektrycznego i zdejmij obie elektrody Ag/AgCl z palców uczestnika. Oczyść palce roztworem alkoholu, aby zmyć pozostałości żelu elektrodowego.
4. Kalibracja progu i tolerancji bólu termicznego (części 1 i 2)
UWAGA: Kalibracja bólu termicznego jest podzielona na dwie części. Część 1 określa próg i tolerancję bólu w odniesieniu do krótkotrwałych (fazowych) bodźców termicznych, a część 2 robi to w odniesieniu do bodźców termicznych o dłuższym czasie trwania (tonicznych). Wartości te służą jako podstawa do obliczenia fazowych i tonicznych bodźców bólu termicznego stosowanych podczas części stymulacji bólowej.
- Przymocuj termodę o wymiarach 30 mm x 30 mm do górnej strony prawego przedramienia badanego, około 30 mm proksymalnie od nadgarstka, za pomocą paska na rzep. Poproś badanego o wygodne oparcie prawego ramienia na podłokietniku.
UWAGA: Termoda to sonda/część stymulatora termicznego, która jest przykładana do skóry badanego i wywołuje właściwy bodziec termiczny. - Poinformuj badanego o procedurze pierwszej części kalibracji termicznej.
UWAGA: Przykładowy sformułowanie instrukcji do pierwszej części kalibracji termicznej może brzmieć: „Doświadczy Pan/Pani teraz krótkich, ale stałych bodźców termicznych o różnym natężeniu. Zaczniemy od temperatury nieco wyższej niż temperatura ciała. Bodziec termiczny zostanie uruchomiony, a tuż przed jego zakończeniem powiem „Teraz”. W tym momencie należy szybko zgłosić, czy bodziec był bolesny, oceniając go w skali od zera do stu, tak jak w przypadku kalibracji elektrycznej. Jeśli bodziec nie był bolesny, proszę podać wartość „Zero”. Następnie zwiększę natężenie. Pomiędzy dwoma bodźcami zawsze następuje kilkusekundowa przerwa. Faza kalibracji kończy się w momencie podania wartości „Sto” lub osiągnięcia temperatury odcięcia”. - Rozpocznij pierwszą część kalibracji termicznej, uruchamiając bodziec o temperaturze 39 °C i czasie trwania 5 s poprzez kliknięcie przycisku start w oprogramowaniu stymulatora termicznego.
OSTROŻNIE: Pierwsza część kalibracji termicznej ma temperaturę odcięcia wynoszącą 50 °C, aby zapobiec oparzeniom skóry.
UWAGA: Każdy bodziec termiczny w pierwszej części kalibracji termicznej trwa 5 s. - Wypowiedz słowo „Teraz” w 4. sekundzie bodźca. Zapisz wartość natężenia podaną przez badanego dla odpowiadającej temperatury. Odczekaj 10 s.
- Jeśli wartość podana przez badanego jest niższa niż 100, zwiększ temperaturę o 1 °C, uruchom bodziec i powtórz kroki 4.4‒4.5. W przeciwnym razie, jeśli wartość wynosi 100 lub osiągnięto temperaturę odcięcia 50 °C, zakończ pierwszą część kalibracji termicznej i przejdź do następnego kroku.
- Sprawdź zapisane wartości i zaznacz pierwszą temperaturę, dla której odpowiadająca jej wartość natężenia jest większa od zera, jako „fazowy próg bólu cieplnego” (pHPTh). Temperaturę, dla której podano wartość 100, zaznacz jako „fazową tolerancję bólu cieplnego” (pHPTo).
UWAGA: Jeśli badany podaje wartość poniżej 100 przy temperaturze odcięcia (50 °C), zaznacz 50 °C jako pHPTo. - Poinformuj uczestnika o drugiej części kalibracji termicznej.
UWAGA: Oto przykładowe sformułowanie instrukcji dla tej fazy kalibracji termicznej: „Zaczynamy od temperatury powyżej temperatury ciała, ale tym razem bodźce termiczne będą dłuższe. Powiem „Teraz” dwa razy: zaraz po rozpoczęciu i tuż przed zakończeniem bodźca. Za każdym razem, gdy powiem „Teraz”, proszę podać liczbę odpowiadającą odczuwanemu bólowi. Jeśli bodziec nie był bolesny, proszę podać wartość „Zero”. Następnie zwiększę temperaturę. Po każdym bodźcu następuje kilkusekundowa przerwa. Faza kalibracji kończy się w momencie podania wartości „Sto” lub osiągnięcia temperatury odcięcia”.
OSTROŻNIE: Ze względu na dłuższy czas trwania bodźca, druga część kalibracji termicznej ma temperaturę odcięcia wynoszącą 49.5 °C, aby zapobiec oparzeniom skóry. - Rozpocznij drugą część kalibracji termicznej bodźcem o temperaturze 39 °C trwającym 10 s, klikając przycisk start w oprogramowaniu stymulatora termicznego.
UWAGA: Każdy bodziec termiczny w drugiej części kalibracji termicznej trwa 10 s. - Wypowiedz słowo „Teraz” po 1 s od rozpoczęcia bodźca. Zapisz wartość natężenia podaną przez badanego dla odpowiadającej temperatury. Wypowiedz słowo „Teraz” na 1 s przed zakończeniem bodźca. Ponownie zapisz wartość natężenia podaną przez badanego dla odpowiadającej temperatury. Odczekaj 60 s.
- Jeśli obie wartości podane przez badanego są niższe niż 100, zwiększ temperaturę o 1 °C (wyjątek: patrz uwaga poniżej), uruchom kolejny bodziec i powtórz krok 4.16. W przeciwnym razie, jeśli którakolwiek z wartości wynosi dokładnie 100 lub osiągnięto temperaturę odcięcia 49.5 °C, zakończ drugą część kalibracji termicznej i przejdź do następnego kroku.
UWAGA: W tej fazie kalibracji stopnie temperatury wynoszą: 39 °C, 40 °C, 41 °C, 42 °C, 43 °C, 44 °C, 45 °C, 46 °C, 47 °C, 48 °C, 49 °C, 49.5 °C. - Sprawdź zapisane wartości i zaznacz pierwszą temperaturę, dla której przynajmniej jedna z odpowiadających jej wartości jest większa od zera, jako „toniczny próg bólu cieplnego” (tHPTh). Temperaturę, dla której po raz pierwszy odnotowano wartość 100, zaznacz jako „toniczną tolerancję bólu cieplnego” (tHPTo).
UWAGA: Jeśli badany podaje obie wartości poniżej 100 przy temperaturze odcięcia (49.5 °C), zaznacz 49.5 °C jako tHPTo. - Zdejmij termodę z przedramienia uczestnika. Zapytaj badanego, czy potrzebuje krótkiej przerwy i/lub czy chce skorzystać z łazienki. Aby przeprowadzić weryfikację, czy uczestnik nadaje się do części stymulacji bólowej w zakresie bodźców termicznych, postępuj zgodnie z instrukcjami opisanymi w Pliku uzupełniającym 1.
5. Przygotowanie eksperymentu stymulacji bólu
- Przeprowadź stymulację bólową w monitorowanym kamerami, kontrolowanym temperaturowo i cichym pomieszczeniu eksperymentalnym, znajdującym się obok pokoju kalibracyjnego/monitorującego (patrz Rysunek 1). Połącz oba pomieszczenia za pomocą rury przesyłowej (o średnicy 80 mm).
UWAGA: Monitoring kamerą dostarcza informacji o stanie zdrowia badanego i pozwala na szybką interwencję w przypadku nagłej utraty przytomności lub zapaści krążeniowej. - Ustaw kozetkę badawczą, na której badany będzie leżał podczas eksperymentu. Umieść ją dłuższym bokiem przy ścianie w pobliżu rury przesyłowej. Zapewnij poduszkę pod głowę.
- Zamocuj lustro na ścianie obok kozetki badawczej w miejscu, gdzie spoczywać będzie głowa badanego.
- Do rejestracji danych fizjologicznych (EKG, 3 x EMG i SCL), dźwięku, wideo (widok czołowy i boczny twarzy, temperatura skóry twarzy oraz widok całego ciała) oraz sygnałów wyjściowych stymulatorów termicznych i elektrycznych podczas eksperymentu, wykorzystaj odpowiednie komputery rejestrujące, oprogramowanie i urządzenia pomiarowe (rejestrator biosygnałów, trzy kolorowe kamery o wysokiej rozdzielczości, jedną kamerę termowizyjną i jeden mikrofon kierunkowy).
- Opracuj rozwiązanie do synchronizacji rejestrowanych modalności. Może ono obejmować sprzętowe wyzwalanie urządzeń, zapis sygnałów wyzwalających przez rejestrator biosygnałów i dźwięku, synchronizację zegarów komputerowych (np. poprzez NTP) i zapis znaczników czasu wraz ze strumieniami danych oraz postprocesowanie zarejestrowanych strumieni danych w celu skompensowania przesunięć czasowych i dryftu zegara.
- Zainstaluj kamerę do widoku całego ciała w taki sposób, aby obejmowała ona całą sylwetkę badanego. Zainstaluj kamerę do czołowego widoku twarzy około 1 m powyżej głowy uczestnika. Zamontuj mikrofon po lewej stronie, a kamerę termowizyjną po prawej stronie, obok kamery czołowej. Przymocuj kamerę do widoku bocznego do sufitu. Ustaw ją w taki sposób, aby mogła rejestrować jedną stronę twarzy badanego, a także stronę przeciwległą odbitą w lustrze (patrz Rysunek 2).
Rycina 2: Schematyczny układ kamer i mikrofonu. Kamera do obrazu frontalnego twarzy, kamera termowizyjna oraz mikrofon są ustawione ok. 1 m nad głową uczestnika. Kamera do widoku bocznego rejestruje obie strony twarzy z pomocą lustra. Kamera do widoku sylwetki zamontowana na ścianie umożliwia rejestrację ruchów ciała. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
UWAGA: Ze względu na ograniczoną przestrzeń w pomieszczeniu doświadczalnym, połączenie kamery ustawionej z boku z lustrem jest bardzo eleganckim rozwiązaniem, pozwalającym na uchwycenie obu stron twarzy badanego przy użyciu tylko jednej kamery.
- Zduplikuj wyjście graficzne komputera rejestrującego biosygnały na monitor komputerowy ustawiony w pomieszczeniu do kalibracji/monitorowania.
- Ustaw aktywne głośniki PC w pomieszczeniu do kalibracji/monitorowania. Podłącz je za pomocą rury przesyłowej do komputera rejestrującego dźwięk. Upewnij się, że słyszysz uczestnika poprzez mikrofon w przypadku, gdyby potrzebował on pomocy podczas eksperymentu.
- Przeciągnij termodę i kabel elektrod stymulatora elektrycznego przez rurę przesyłową do pomieszczenia eksperymentalnego. Umieść zwiniętą piankę akustyczną po obu stronach rury przesyłowej (lub inny materiał dźwiękochłonny).
UWAGA: Pozostaw stymulator termiczny w pomieszczeniu do kalibracji/monitorowania. Zakłóca on rejestrację sygnału audio ze względu na regularne uruchamianie wewnętrznego wentylatora w celu chłodzenia. - Ustaw częstotliwości próbkowania rejestracji w następujący sposób: (a) dźwięk: 44.1 kHz; (b) kamery widoku przedniego i bocznego: 25 Hz; (c) kamera widoku całego ciała: 30 Hz; (d) kamera termowizyjna: 120 Hz; (e) SCL, EMG i ECG: 1,000 Hz. Zapisz wszystkie ustawienia.
- Przygotuj zimny okład żelowy (100 mm x 100 mm) i włóż go do zamrażarki. Przygotuj higieniczny ręcznik z włókniny o wymiarach 200 mm x 200 mm lub coś podobnego (np. cienki ręcznik papierowy) oraz maść.
- Oblicz 12 indywidualnych intensywności bodźców, po sześć dla wywoływania bólu termicznego i elektrycznego, w następujący sposób: (a) fazowa intensywność bólu elektrycznego 3 (pE3) = 90% pEPTo; (b) fazowa intensywność bólu elektrycznego 2 (pE2) = (pE3 + pEPTh)/2; (c) fazowa intensywność bólu elektrycznego 1 (pE1) = pEPTh; (d) toniczna intensywność bólu elektrycznego 3 (tE3) = 90% tEPTo; (e) toniczna intensywność bólu elektrycznego 2 (tE2) = (tE3 + tEPTh)/2; (f) toniczna intensywność bólu elektrycznego 1 (tE1) = tEPTh; (g) fazowa intensywność bólu termicznego 3 (pH3) = pHPTo - 0.5 °C, jeśli badany zgłosił wartość 100 dla pHPTo — w przeciwnym razie pH3 = pHPTo; (h) fazowa intensywność bólu termicznego 2 (pH2) = (pH3 + pHPTh)/2; (i) fazowa intensywność bólu termicznego 1 (pH1) = pHPTh; (j) toniczna intensywność bólu termicznego 3 (tH3) = tHPTo - 0.5 °C, jeśli badany zgłosił wartość 100 dla tHPTo — w przeciwnym razie tH3 = tHPTo; (k) toniczna intensywność bólu termicznego 2 (tH2) = (tH3 + tHPTh)/2; (l) toniczna intensywność bólu termicznego 1 (tH1) = tHPTh.
- Wprowadź wartości obliczonych w kroku 5.11 na podstawie kalibracji przeprowadzonej zgodnie z sekcjami 3 i 4 fazowych intensywności bólu elektrycznego (pE1‒pE3) i termicznego (pH1‒pH3) oraz tonicznych intensywności bólu elektrycznego (tE1‒tE3) i termicznego (tH1‒tH3) do oprogramowania stymulatora termicznego i elektrycznego. Ustaw temperaturę bazową (brak bólu) na 32 °C oraz tempo wzrostu temperatury na 8 °C/s. Zapisz wszystkie ustawienia.
- Użyj oprogramowania komputerowego opartego na języku skryptowym, które komunikuje się ze stymulatorem termicznym i elektrycznym. Upewnij się, że umożliwia ono kontrolowanie i wyzwalanie bodźców bólowych w oparciu o skrypt wywoływania bólu.
UWAGA: Skrypt wywoływania bólu wyzwala zrandomizowane bodźce bólowe oraz kontroluje ich czas i czas trwania. W niniejszym badaniu oprogramowanie stymulatora termicznego umożliwia przygotowanie skryptu wywoływania bólu. Oprogramowanie automatycznie wyzwala bodźce termiczne i wysyła sygnały w momencie, gdy należy wyzwolić bodziec elektryczny. Bodźce elektryczne są wyzwalane przez skrypt przygotowany w drugim oprogramowaniu. - Przygotuj skrypt wywoływania bólu (patrz Rysunek 3) w następujący sposób. Ustaw liczbę każdego bodźca fazowego o danej intensywności (pE1, pE2, pE3, pH1, pH2 i pH3) na 30, a liczbę każdego bodźca tonicznego o danej intensywności (tE1, tE2, tE3, tH1, tH2 i tH3) na 1. Ustaw czas trwania każdego bodźca fazowego na 5 s i czas trwania każdego bodźca tonicznego na 60 s. Zrandomizuj kolejność wszystkich bodźców. Zrandomizuj przerwy między bodźcami fazowymi w przedziale 8–12 s. Ustaw przerwy po bodźcach tonicznych na 300 s. Zapisz wszystkie ustawienia.
UWAGA: Ze względu na dłuższy czas trwania, liczba różnych tonicznych bodźców termicznych została ustawiona na 1, aby uniknąć oparzeń skóry. Wszystkie przerwy po bodźcach tonicznych muszą wynosić 300 s, aby umożliwić powrót sygnałów fizjologicznych do poziomu bazowego, a tym samym nie zanieczyścić kolejnych sygnałów.
Rycina 3: Ilustracja graficzna etapu stymulacji bólowej. (A) Przykładowy schemat wywoływania bólu z randomizowanymi bodźcami bólowymi fazowymi (niebieskie) i tonicznymi (czerwone). (B) Fragment powyższego schematu wywoływania bólu: trzy bodźce fazowe o czasie trwania 5 s i następujące po nich przerwy. Czas trwania przerw waha się od 8 do 12 s. (pH1, pH2, pH3 = fazowy ból termiczny o natężeniu 1, 2, 3; tH1, tH2, tH3 = toniczny ból termiczny o natężeniu 1, 2, 3; pE1, pE2, pE3 = fazowy ból elektryczny o natężeniu 1, 2, 3; tE1, tE2, tE3 = toniczny ból elektryczny o natężeniu 1, 2, 3; s = sekundy). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
6. Stymulacja bólu
- Zabierz uczestnika do pomieszczenia eksperymentalnego i poinformuj go o nadchodzącej procedurze. Wyjaśnij układ eksperymentalny oraz funkcje urządzeń. Ponownie poinformuj badanego o możliwości przerwania eksperymentu w dowolnym momencie poprzez naciśnięcie dostarczonego przycisku alarmowego lub prośbę o przerwanie.
- Poproś badanego o wygodne położenie się na kozetce badawczej. Poinstruuj go, aby przez cały czas trwania eksperymentu pozostawał w pozycji na plecach.
- Oczyść roztworem alkoholu wszystkie obszary skóry, w których będą mocowane elektrody. Usuń martwe komórki naskórka z powierzchni lewego policzka, zza lewego ucha oraz nad lewą brwią za pomocą żelu ściernego. Ponownie oczyść te obszary roztworem alkoholu.
- W celu pomiaru SCL przymocuj dwa niepolaryzowalne elektrody Ag/AgCl z naniesionym żelem do spodniej strony paliczka dalszego prawego palca wskazującego i środkowego za pomocą pasów rzepowych. Upewnij się, że pasy nie są zbyt ciasne. Są one zbyt ciasne, jeśli badany zgłasza uczucie pulsowania w opuszkach palców.
- Do zapisu EKG użyj trzech przylepnych elektrod Ag/AgCl z naniesionym żelem i okrągłymi powierzchniami styku (średnica 34 mm). Umieść jedną elektrodę (katodę) na klatce piersiowej, około 6 cm poniżej prawej obojczyka. Drugą (anodę) umieść na lewym dziewiątym i dziesiątym żebrze. Trzecią elektrodę (masę/referencyjną) przymocuj do prawego boku w okolicy kości miednicznej.
- Do zapisu EMG mięśnia M. trapezius użyj również trzech przylepnych elektrod Ag/AgCl z naniesionym żelem i okrągłymi powierzchniami styku (średnica 34 mm). Umieść dwie elektrody (katodę i anodę) obok siebie na mięśniu czworobocznym po lewej stronie szyi. Trzecią elektrodę (referencyjną) umieść poniżej, na lewej obojczyku.
- Użyj sześciu wielorazowych ekranowanych elektrod Ag/AgCl o średnicy rejestracji 4 mm do pomiaru EMG mięśnia M. corrugator supercilii oraz M. zygomaticus major. Wypełnij wgłębienia elektrod żelem elektrolitycznym.
- Przymocuj elektrody za pomocą dwustronnych kołnierzy klejących w następujący sposób: dla corrugator supercilii umieść jedną elektrodę (anodę) bezpośrednio nad lewą brwią, obok linii glabelnej (lewej). Drugą elektrodę (katodę) umieść 1 cm bocznie od pierwszej.
- Przymocuj trzecią elektrodę (referencyjną) do środka kości czołowej, tuż poniżej linii włosów. Dla zygomaticus major wyznacz wyimaginowaną linię od lewego kącika ust do lewego płatka ucha. Umieść jedną elektrodę (anodę) nieco poniżej środka linii, a drugą (katodę) 1 cm przyśrodkowo obok niej. Trzecią elektrodę (referencyjną) przymocuj do lewego wyrostka sutkowatego. Podłącz wszystkie elektrody do odpowiednich wejść urządzenia do rejestracji biosygnałów.
- Przeprowadź wizualną kontrolę za pomocą oprogramowania do rejestracji biosygnałów, aby sprawdzić, czy wszystkie sygnały fizjologiczne są dobrej lub doskonałej jakości. Poproś badanego o poruszanie określonymi mięśniami i sprawdź odpowiedni sygnał. Skoryguj lub popraw wszelkie niezadowalające sygnały odpowiednimi środkami lub działaniami.
- Umieść jedną elektrodę Ag/AgCl (średnica 34 mm) na górnej stronie paliczka środkowego lewego palca wskazującego (anoda) i drugą na górnej stronie paliczka bliższego lewego palca środkowego (katoda). Przymocuj elektrody taśmą medyczną, ponieważ badani mogą pocić się podczas procedury, co zmniejsza przylepność elektrod. Podłącz elektrody do stymulatora elektrycznego.
- Przymocuj termodę do górnej strony lewego przedramienia badanego, około 30 mm proksymalnie od nadgarstka, za pomocą pasa rzepowego. Upewnij się, że pas nie uciska skóry.
- Uruchom wszystkie kamery. Upewnij się, że uczestnik jest doskonale widoczny na obrazach z kamer. W razie potrzeby poproś badanego o skorygowanie pozycji. Zwróć szczególną uwagę na kamery twarzy o małym polu widzenia. Idealnie twarz powinna znajdować się w centrum obrazu, aby zminimalizować ryzyko, że uczestnik przesunie głowę poza pole widzenia podczas eksperymentu.
- Sprawdź, czy mikrofon jest włączony i czy głośność nagrywania jest satysfakcjonująca.
- Zapytaj badaną, czy ma jeszcze jakieś pytania i czy jest gotowa do eksperymentu. Poinstruuj ją, aby zachowywała się całkowicie naturalnie, nie tłumiła i nie wyolbrzymiała żadnych reakcji bólowych podczas eksperymentu.
- Uruchom wszystkie urządzenia rejestrujące (kamery, mikrofon, rejestrator biosygnałów) zgodnie z wymogami synchronizacji danych.
- Opuść pomieszczenie eksperymentalne i wejdź do pomieszczenia kalibracyjnego/monitorującego. Odczekaj 5 minut, aby sygnały fizjologiczne badanego się ustabilizowały. Uruchom skrypt wywoływania bólu.
- Uważnie monitoruj badanego oraz przebieg części stymulacji bólowej. Zapisz znaczniki czasu wszystkich oczywistych nietypowych/nienaturalnych zachowań, problemów technicznych lub artefaktów biosygnałów wynikających z gwałtownych ruchów, odklejenia się elektrod itp.
- Po zakończeniu skryptu wywoływania bólu zatrzymaj wszystkie urządzenia rejestrujące. Zapisz/wyeksportuj wszystkie dane w preferowanym formacie. Wyłącz stymulator termiczny i elektryczny.
- Sprawdź, czy z uczestnikiem wszystko jest w porządku, a następnie odłącz wszystkie elektrody i termodę. Oczyść wszystkie obszary skóry roztworem alkoholu, aby usunąć pozostałości żelu elektrodowego.
- Wyjmij z zamrażarki zimny kompres żelowy i owiń go higienicznym ręcznikiem z włókniny (lub czymś podobnym, np. cienkim ręcznikiem papierowym). Poproś uczestnika o przyłożenie go przez co najmniej 5 minut do obszaru skóry, w którym znajdowała się termoda.
- Zaoferuj badanemu możliwość zaprezentowania i wyjaśnienia jego indywidualnych poziomów bólu.
- Nałóż maść na obszar skóry, w którym znajdowała się termoda.
UWAGA: Zimny kompres żelowy i maść są stosowane w celu zminimalizowania (potencjalnego) zaczerwienienia i podrażnienia skóry. - Przekaż rekompensatę pieniężną i uzyskaj potwierdzenie odbioru kwitkiem. Przekaż informacje kontaktowe na wypadek pojawienia się problemów. Podziękuj uczestnikowi i pożegnaj go.
- Usuń gąbkę akustyczną z obu stron rury doprowadzającej. Przenieś termodę i kabel elektrod stymulatora elektrycznego z powrotem do pomieszczenia kalibracyjnego/monitorującego. Utylizuj wszystkie jednorazowe elektrody, oczyść wszystkie elektrody wielorazowe z pozostałości żelu i zdezynfekuj powierzchnię kozetki badawczej odpowiednim środkiem. Włóż zimny kompres żelowy z powrotem do zamrażarki.
Wyniki
Ból jest różnie odczuwany przez każdą osobę i może przejawiać się w zróżnicowany sposób poprzez mimikę twarzy, sygnały paralingwistyczne i/lub fizjologiczne. Projekt tego badania jest odpowiedni do analizy reakcji bólowych na wiele sposobów w odniesieniu do przyjętych celów. Uzyskane dane mogą pozwolić na udzielenie odpowiedzi na pytania badawcze, takie jak: czy istnieją specyficzne wzorce reakcji bólowych? Czy różnią się one w zależności od modelu i czasu trwania bólu?
W naszym eksperymencie wzięło udział łącznie 134 osób. Proporcja płci wynosiła 50/50. Podzielono je na następujące grupy wiekowe: 1) 18-29 lat (N = 49, 23 mężczyzn, 26 kobiet), 2) 30-39 lat (N = 45, 23 mężczyzn, 22 kobiet), 3) 40-50 lat (N = 40, 21 mężczyzn, 19 kobiet). Średni wiek wszystkich badanych wynosił 31,4 (SD = 9,7), wszystkich mężczyzn = 33,4 (SD = 9,3) i wszystkich kobiet = 32,9 (SD = 10,2) lat. Badanie zostało przeprowadzone w Zakładzie Psychologii Medycznej Uniwersytetu w Ulm w Niemczech.
Głównym wynikiem niniejszego protokołu jest zbiór danych sygnałów audio, wideo i psychofizjologicznych odzwierciedlających reakcje badanych na bodźce bólowe. Tabela 1 przedstawia ogólny przegląd cech technicznych zarejestrowanych sygnałów oraz liczbę wywołanych bodźców bólowych w badaniu.
| Cechy techniczne | ||||
| Sygnał: | Częstotliwość próbkowania: | Atrybuty: | ||
| Audio | 44100 Hz | Mono, MP3 320 kbps | ||
| Kamera 1 (twarz, widok z przodu) | 25 Hz | Wideo w kolorze: rozdzielczość 1384 x 1032, kodowanie HEVC za pomocą libx265 (CRF 16, preset medium) | ||
| Kamera 2 (twarz, widok z boku) | 25 Hz | Wideo w kolorze: rozdzielczość 1620 x 840, kodowanie HEVC za pomocą libx265 (CRF 16, preset medium) | ||
| Kamera ciała | ok. 30 Hz | Wideo w kolorze: rozdzielczość 1500 x 600, kodowanie HEVC za pomocą libx265 (CRF 16, preset medium); Wideo głębi: rozdzielczość 500 x 200, kodowanie bezstratne | ||
| Kamera termowizyjna | ok. 120,8 Hz | Wideo temperatury powierzchni: rozdzielczość 120 x 160, skala szarości MPEG-4-AVC kodowane za pomocą libx264 (CRF 0, preset veryfast), zakodowany zakres temperatur 26,5-52,0 °C (kroki co 0,1) | ||
| EKG | 1000 Hz | Filtrowanie sprzętowe przez BioPac: 35 Hz LP, 0,5 Hz HP, filtr notch 50 Hz | ||
| SCL | 1000 Hz | Filtrowanie sprzętowe przez BioPac: 10 Hz LP, brak HP, brak filtra notch | ||
| EMG M. trapezius | 1000 Hz | Filtrowanie sprzętowe przez BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP, brak filtra notch | ||
| EMG M. corrugator supercilii | 1000 Hz | Filtrowanie sprzętowe przez BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP, brak filtra notch | ||
| EMG M. zygomaticus major | 1000 Hz | Filtrowanie sprzętowe przez BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP, brak filtra notch | ||
| Bodźce | Termiczne | Elektryczne | ||
| Badani: | Bodźce fazowe (5 s): | Bodźce toniczne (60 s): | Bodźce fazowe (5 s): | Bodźce toniczne (60 s): |
| Na każdego badanego | 90 (30 na intensywność) | 3 (1 na intensywność) | 90 (30 na intensywność) | 3 (1 na intensywność) |
| Wszyscy (N = 134) | 12060 (4020 na intensywność) | 402 (134 na intensywność) | 12060 (4020 na intensywność) | 402 (134 na intensywność) |
| Mężczyźni (n = 67) | 6030 (2010 na intensywność) | 201 (67 na intensywność) | 6030 (2010 na intensywność) | 201 (67 na intensywność) |
| Kobiety (n = 67) | 6030 (2010 na intensywność) | 201 (67 na intensywność) | 6030 (2010 na intensywność) | 201 (67 na intensywność) |
Tabela 1: Cechy techniczne i liczba wywołanych bodźców. Górna część (Cechy techniczne) przedstawia częstotliwości próbkowania i atrybuty poszczególnych sygnałów. Dolna część (Bodźce) przedstawia liczbę wywołanych specyficznych (termicznych/elektrycznych) bodźców bólowych dla jednego badanego, dla wszystkich badanych oraz dla każdej płci. (MP3 = Moving Picture Experts Group Layer-3 Audio, kbps = kilobity na sekundę, HEVC = High Efficiency Video Coding, CRF = Constant Rate Factor, MPEG-4-AVC = Motion Picture Experts Group Layer-4 Video Advanced Video Coding, Hz = Herc, °C = stopnie Celsjusza, s = sekundy, ECG = elektrokardiogram, SCL = poziom przewodnictwa skóry, EMG = elektromiografia, LP = filtr dolnoprzepustowy, HP = filtr górnoprzepustowy, M. = Musculus).
Drugi punkt końcowy dotyczący fazy kalibracji badania przedstawiono w Tabeli 2. Przedstawia ona średnie temperatury i natężenia prądu stymulacji dla intensywności bólu 1 i 3 (obliczone w kroku 5.11 protokołu) dla wszystkich badanych, a dodatkowo dla podgrupy mężczyzn i kobiet.
| Bodźce | Termiczny [w °Cśrednia (SD) | Wartość elektryczna [w mA] średnia (SD) | ||||||
| Obiekty badań | pH1 | pH3 | tH1 | tH3 | pE1 | pE3 | tE1 | tE3 |
| Wszystkie (N = 134) | 44.03 (2.25) | 49.17 (1.20) | 42.50 (2.14) | 47.76 (1.02) | 1.63 (0.94) | 5.64 (2.72) | 1.69 (1.12) | 5.70 (2.59) |
| Mężczyźni (n = 67) | 44.56 (2.18) | 49.48 (0.89) | 43.11 (1.98) | 47.93 (1.04) | 1.94 (1.01) | 6.83 (3.02) | 1.96 (1.16) | 6.90 (2.72) |
| Kobiety (n = 67) | 43.51 (2.74) | 48.87 (1.39) | 41.89 (2.14) | 47.59 (0.98) | 1.32 (0.75) | 4.45 (1.70) | 1.43 (1.01) | 4.51 (1.80) |
Tabela 2: Średnie temperatury i natężenia prądu stymulacji dla intensywności bólu 1 i 3. (pH1, pH3 = fazowy ból cieplny o intensywności 1, 3; tH1, tH3 = toniczny ból cieplny o intensywności 1, 3; pE1, pE3 = fazowy ból elektryczny o intensywności 1, 3; tE1, tE3 = toniczny ból elektryczny o intensywności 1, 3; °C = stopnie Celsjusza; mA = miliamper, SD = odchylenie standardowe).
Jeśli wszystkie etapy protokołu zostaną przeprowadzone starannie i nie wystąpią problemy techniczne (takie jak awarie komputera lub urządzenia rejestrującego itp.), pomyślny wynik może wyglądać podobnie do przedstawionego na Rysunku 4. Wszystkie sygnały są wysokiej jakości i nie są zakłócone przez zewnętrzne źródła interferencji. Uczestnik jest wyraźnie widoczny w każdej kamerze.
Rysunek 4: Przykładowe dane z udanego eksperymentu. Rysunek przedstawia zarejestrowane sygnały kilka sekund przed, w trakcie i po intensywnym bodźcu bólowym. Wszystkie sygnały są niefiltrowane i zsynchronizowane w czasie. Dla przejrzystości przedstawiono tutaj jedynie reprezentatywne zrzuty ekranu z sygnałów wideo. (EMG = Elektromiografia, SCL = Poziom przewodnictwa skóry, ECG = Elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekundy). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Niemniej jednak, nieprzewidziane zdarzenia mogą spowodować wystąpienie szumów lub uszkodzenie danych. Poza awariami komputerów lub urządzeń rejestrujących, najczęściej do uzyskania bezużytecznych sygnałów prowadzi odklejenie się elektrod (zwłaszcza elektrod wielorazowych o małej średnicy, mocowanych za pomocą dwustronnych kołnierzy klejących). Jako przykład nieoptymalnego zestawu danych, Rysunek 5 przedstawia moment, w którym elektroda EMG odkleja się, co czyni odpowiadający jej sygnał bezużytecznym.
Rysunek 5: Przykład danych z eksperymentu o suboptymalnym przebiegu. Czerwone koło wskazuje moment, w którym jedna z elektrod EMG (M. zygomaticus major) odpadła z policzka badanego. Mogło to być spowodowane potem lub ruchem głowy. Od tego momentu sygnał został utracony. (EMG = elektromiografia, SCL = poziom przewodnictwa skóry, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekundy). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Ze względu na wytyczne etyczne, maksymalne intensywności bodźców termicznych i elektrycznych musiały zostać ograniczone. W odniesieniu do części kontrolnej kalibracji termicznej (patrz plik uzupełniający), 37 osób (31 mężczyzn, 6 kobiet) osiągnęło określoną wartość graniczną 50.5 °C (stosunek = 37/134 = 27.61 %). W przypadku części 1 kalibracji termicznej, 60 uczestników (39 mężczyzn, 21 kobiet) osiągnęło wartość graniczną 50.0 °C (stosunek = 60/134 = 44.78 %), a w odniesieniu do części 2, 57 osób (37 mężczyzn, 20 kobiet) osiągnęło wartość graniczną 49.5 °C (stosunek = 57/134 = 42.54 %). Wartość graniczna dla obu części kalibracji elektrycznej wynosiła 25 mA. Żaden z 134 badanych nie osiągnął tego poziomu.
Ponieważ planujemy opublikować dane (patrz następny akapit), zestawy danych uczestników, którzy osiągnęli wartości progowe, zostaną dodatkowo oznaczone, a ich subiektywne oceny bólu dla odpowiadających im progów zostaną uwzględnione.
Pragniemy zaznaczyć, że głównym celem niniejszego protokołu jest uzyskanie sygnałów multimodalnych do analizy bólu termicznego i elektrycznego. W związku z tym nie omawiamy tutaj żadnych innych wyników. Po weryfikacji i wykluczeniu zestawów danych z powodu brakujących informacji lub odrzucenia pisemnej zgody na udostępnianie danych, zestawy danych z niniejszego badania zostaną udostępnione pod nazwą „X-ITE Pain Database”. Aby uzyskać więcej informacji na temat tego, kiedy i w jaki sposób można uzyskać dostęp do X-ITE Pain DB, odwiedź stronę https://github.com/philippwerner/pain-database-list.
Plik uzupełniający 1. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dyskusja
Prezentowany protokół koncentruje się na eksperymentalnym wywoływaniu bólu termicznego (cieplnego) i elektrycznego przy jednoczesnej rejestracji sygnałów fizjologicznych, wzrokowych i paralingwistycznych. To nowatorskie podejście, łączące dwa modele bólu o różnej intensywności bodźców i dwóch różnych czasie trwania bodźców (fazowych i tonicznych), oferuje szeroką perspektywę na psychofizjologiczne wzorce i ekspresje bólu. Jednak w celu realizacji tego protokołu należy wziąć pod uwagę kilka kroków.
Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku pracy z bodźcami bólowymi kluczowe jest zapewnienie bezpieczeństwa badanych. Wszystkie bodźce bólowe muszą być ściśle kontrolowane i powinny być wykonywane tylko przez doświadczonych eksperymentatorów.
Ponadto, do rejestrowania i gromadzenia wiarygodnych i wysokiej jakości danych, zaleca się odpowiednie zamocowanie urządzeń (elektrod), doskonałe funkcjonowanie urządzeń rejestrujących i płynną komunikację między komputerami. Wszystkie źródła zakłóceń powinny zostać wyeliminowane lub ograniczone do minimum. Aby zagwarantować spójność między uczestnikami, ważne jest, aby zapewnić ustandaryzowane instrukcje i niezmienne warunki eksperymentu.
Z naszego doświadczenia wynika, że znalezienie odpowiednich uczestników, którzy spełniają wszystkie kryteria i są chętni na otrzymywanie wielu bolesnych bodźców, zajmuje dużo czasu i jest nie lada wyzwaniem. Ponadto wynagrodzenie pieniężne musi być na tyle wysokie, aby przyciągnąć uczestników do badania. Szczególnie trudno jest znaleźć osoby w wieku od 30 do 50 lat. Może to wynikać z faktu, że eksperyment jest zbyt długi (ok. 4 godziny, wliczając przyjazd i wyjazd) i muszą wziąć pół dnia wolnego od pracy.
Ponieważ bezpieczeństwo uczestników jest najwyższym priorytetem, indukcja bólu może wymagać ograniczenia. Ze względu na wytyczne etyczne, intensywność bodźca nie może przekraczać określonych poziomów, aby zapobiec oparzeniom i utracie przytomności odpowiednio pod względem termicznej i elektrycznej indukcji bólu. Ogólne ograniczenie intensywności może spowodować efekt sufitu, ponieważ niektóre osoby mogą osiągnąć limity intensywności przed odczuciem nieznośnego bólu. W tym badaniu około 42% (biorąc pod uwagę kalibrację termiczną część 1 i 2) uczestników osiągnęło odcięcia termiczne (patrz reprezentatywne wyniki). Ponieważ nie osiągnęły one swoich "rzeczywistych" tolerancji na ból, ich reakcje fizjologiczne na najwyższe bodźce termiczne mogą zachowywać się inaczej w przeciwieństwie do reakcji fizjologicznych osób, które je osiągnęły. Jeśli tak, wymieszanie tych dwóch grup może wpłynąć na wyniki klasyfikacji pod względem rozpoznawania bólu.
Ważną kwestią, którą należy poruszyć, są metody leczenia bólu w tym eksperymencie. Uczestnicy są poddawani wyłącznie termicznym i elektrycznym bodźcom bólowym (ze względu na fakt, że są one wysoce kontrolowane w warunkach eksperymentalnych). W związku z tym, jeśli badasz wzorce bólu pod kątem jakości, wyniki mogą nie przekładać się na inne modalności bólu, takie jak ucisk, ból chemiczny lub trzewny.
Te same względy dotyczące możliwości przenoszenia wyników odnoszą się do badanej próby. Protokół jest etycznie ograniczony do zdrowych osób dorosłych. Na przykład nie obejmuje dzieci ani osób z zaburzeniami poznawczymi i werbalnymi. Co więcej, w naszym badaniu uczestniczyli tylko Europejczycy. Również w tym przypadku wyniki analityczne mogą nie mieć zastosowania do grup nieuwzględnionych w tym eksperymencie.
Kolejne ograniczenie może dotyczyć efektu Hawthorne'a24: badani są świadomi, że są filmowani/obserwowani w badaniu. To może zmienić ich zachowanie.
W porównaniu z istniejącymi bazami danych bólu, protokół zapewnia znaczące korzyści w zakresie analizy wzorców reakcji na ból, ponieważ łączy dwa modele bólu i dwa przebiegi czasowe (fazowy i tonizujący): Oprócz intensywności i czasu trwania bólu bierze również pod uwagę jakość bólu. Ponieważ ból termiczny jest opisywany inaczej niż ból elektryczny (np. pieczenie vs. ostry), może również różnić się reakcjami bólowymi. Jeśli tak, odkrycia te mogą powiązać wzorzec reakcji na ból z leżącym u jego podstaw źródłem. Co więcej, badanie ma charakter multimodalny, co pozwala poszerzyć zakres możliwości badania bólu: wykorzystując 5 sygnałów psychofizjologicznych, 2 sygnały z kamery twarzy (przód / bok), 1 sygnał z kamery widoku ciała, 1 kamerę termowizyjną i 1 sygnał dźwiękowy, ból może być analizowany i oceniany bardziej precyzyjnie.
W celu bardziej złożonego zbadania wzorców reakcji na ból, przyszłe rozszerzenia tej metody powinny obejmować więcej biosygnałów, takich jak elektroencefalografia (EEG), temperatura ciała i oddychanie. Bardzo korzystne byłoby również zastosowanie kontrolowanego ciśnienia jako dalszego modelu bólu. Naukowcy, którzy dążą do automatycznego rozpoznawania bólu na podstawie danych zebranych za pomocą tego protokołu, powinni dalej testować obiecujące modele uczenia maszynowego w klinicznych grupach kontrolnych.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Verenie Friedrich, Marii Velana, Sandrze Gebhardt, Romy Bärwaldt i Tinie Daucher za ich cenną pomoc w przeprowadzeniu badania. Ponadto specjalne podziękowania kierujemy do dr Stefanie Rukavina za jej wsparcie naukowe. Badania te były częścią projektu DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) "Postęp i systematyczna walidacja automatycznego systemu rozpoznawania bólu na podstawie wyrazu twarzy i parametrów psychobiologicznych", finansowanego przez Niemiecką Fundację Badawczą.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| PATHWAY Model ATS | Medoc Ltd., Ramat Yishai, Izrael | Stymulator termiczny | |
| 30 mm x 30 mm ATS Thermode | Medoc Ltd., Ramat Yishai, Izrael | Oprogramowanie Thermode | |
| PATHWAY Arbel 6.3.7.22.1 | Medoc Ltd., Ramat Yishai, Izrael | Oprogramowanie stymulatora termicznego | |
| Digitimer DS7A Stymulator prądu | Digitimer Ltd., Hertfordshire, Wielka Brytania | Stymulator elektryczny | |
| Inquisit 5 | milisekund Oprogramowanie, Seattle, WA, USA | Oprogramowanie do wyzwalania bodźców elektrycznych | |
| Przetwornik analogowo-cyfrowy | Wissenschaftliche Werkstatt Elektronik, Uniwersytet w Ulm, Ulm, Niemcy | Budowany | |
| system BIOPAC MP150 | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | Sprzęt do nagrywania sygnałów biologicznych | |
| AcqKnowledge Oprogramowanie 4.1.1 | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | Oprogramowanie do nagrywania sygnałów biologicznych | |
| NTG-2 Dwukierunkowy mikrofon pojemnościowy z podwójnym zasilaniem | Mikrofony RØDE, Silverwater, Australia | Mikrofon do nagrywania dźwięku | |
| Kinect v2 | Microsoft, Redmond, WA, Stany Zjednoczone | Kamera do obserwacji ciała | |
| AV Pike F-145C | Allied Vision Technologies GmbH, Stadtroda, Niemcy | Kamera twarzy (widok z przodu) | |
| AV Prosilica GT 1600C | Allied Vision Technologies GmbH, Stadtroda, Niemcy | Kamera twarzy (widok z boku) | |
| Kamera termowizyjna PIR uc 180 | InfraTec GmbH, Drezno, Niemcy | kamery termowizyjnej | |
| Werkstatt, IIKT, Uniwersytet w Magdeburgu, Magdeburg, Niemcy | zbudowane na zamówienie | Sprzętowe wyzwalanie kamer, sygnał wyzwalający jest rejestrowany przez BIOPAC i oprogramowanie do | |
| nagrywania i synchronizacji | Philipp Werner, Neuro-Information Technology, Uniwersytet w Magdeburgu, Magdeburg, Niemcy | niestandardowe | Nagrywanie w czasie rzeczywistym, kodowanie wideo offline i synchronizacja offline |
| Kanapa badawcza | ClinicalCare GmbH, Brema, Niemcy | ||
| Elektrody Ag-AgCl EL254 / EL254S (wielokrotnego użytku, średnica zapisu 4mm) | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | Służy do rejestracji EMG M. tekturnica falista i M. zygomaticus | |
| Ag-AgCl Elektrody BlueSensor P (jednorazowe, rozmiar do kontaktu ze skórą: średnica 34 mm, obszar pomiarowy 154 mm2) | Ambu GmbH, Bad Nauheim, Niemcy | Służy do zapisu EKG i EMG M. trapezius. Używany również do stymulacji elektrycznej | |
| Audacity 2.1.2 | Dominic Mazzoni (Audacity) | Oprogramowanie do nagrywania dźwięku | |
| Cold Gel Pack | C+V Pharma Depot GmbH, Versmold, Niemcy | ||
| Pantenol 50mg/g | ratiopharm GmbH, Ulm, Niemcy | Maść | |
| Alumnium Profile | item Industrietechnik GmbH, Solingen, Niemcy | Służy do instalacji wszystkich kamer i mikrofon | |
| Elektroda żelowa GEL1 | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA | ||
| Żel do przygotowania skóry ELPREP | BIOPAC Systems, Inc., Goleta, CA, USA |
Bibliografia
- Hawker, G. A., Mian, S., Kendzerska, T., French, M. Measures of adult pain: Visual analog scale for pain (vas pain), numeric rating scale for pain (nrs pain), mcgill pain questionnaire (mpq), short‐form mcgill pain questionnaire (sf‐mpq), chronic pain grade scale (cpgs), short form‐36 bodily pain scale (sf‐36 bps), and measure of intermittent and constant osteoarthritis pain (icoap). Arthritis Care & Research. 63 (11), 240-252 (2011).
- Kehlet, H. Acute pain control and accelerated postoperative surgical recovery. Surgical Clinics. 79, 431-443 (1999).
- McQuay, H., Moore, A., Justins, D. Treating acute pain in hospital. British Medical Journal. 314 (7093), 1531-1535 (1997).
- Brahnam, S., Chuang, C. F., Shih, F. Y., Slack, M. R. SVM classification of neonatal facial images of pain. Fuzzy Logic and Applications (revised selected papers from the 6th International Workshop, WILF 2005, Crema, Italy, September 15-17, 2005). Lecture Notes in Computer Science. 3849, 121-128 (2005).
- Basler, H. D., Bloem, R., Casser, H. R., et al. Ein strukturiertes Schmerzinterview für geriatrische Patienten. Schmerz. 15, 164-171 (2001).
- Zwakhalen, S. M. G., Hamers, J. P. H., Abu-Saad, H. H., Berger, M. P. F. Pain in elderly people with severe dementia: a systematic review of behavioural pain assessment tools. BioMed Central Geriatrics. 6 (3), (2006).
- Herr, K., Bjoro, K., Decker, S. Tools for assessment of pain in nonverbal older adults with dementia: a state-of-the-science review. Journal of Pain and Symptom Manage. 31 (2), 170-192 (2006).
- Handel, E., Gnass, I. Praxishandbuch ZOPA : Schmerzeinschätzung bei Patienten mit kognitiven und/oder Bewusstseinsbeeinträchtigungen. , Huber. Bern. (2010).
- Abbey, J., et al. The Abbey pain scale: a 1-minute numerical indicator for people with end-stage dementia. International Journal Of Palliative Nursing. 10 (1), 6-13 (2004).
- Gruss, S., et al. Pain intensity recognition rates via biopotential feature patterns with support vector machines. PLoS ONE. 10, 1-14 (2015).
- Walter, S., et al. Automatic pain quantification using autonomic parameters. Psychology & Neuroscience. 7 (3), 363(2014).
- Werner, P., et al. Automatic pain assessment with facial activity descriptors. IEEE Transactions on Affective Computing. 8 (3), 286-299 (2017).
- Thiam, P., Kessler, V., Walter, S., Palm, G., Schwenker, F. Audio-Visual Recognition of Pain Intensity. IAPR Workshop on Multimodal Pattern Recognition of Social Signals in Human-Computer Interaction. , Springer. Cham. (2016).
- Niese, R., et al. Towards Pain Recognition in Post-Operative Phases Using 3D-based Features from Video and Support Vector Machines. International Journal of Digital Content Technology and its Applications. 3 (4), 21-33 (2009).
- Hammal, Z., Kunz, M. Pain monitoring: A dynamic and context-sensitive system. Pattern Recognition. 45 (4), 1265-1280 (2012).
- Werner, P., et al. Automatic pain recognition from video and biomedical signals. Pattern Recognition (ICPR), 22nd International Conference on Pattern Recognition. , 4582-4587 (2014).
- Walter, S. Diagnostik der Schmerzintensität, basierend auf multimodalen Signalen und maschinellen Lernen. Habilitationsschrift. , (2017).
- Chu, Y., Zhao, X., Han, J., Su, Y. Physiological Signal-Based Method for Measurement of Pain Intensity. Frontiers in aneuroscience. 11, (2017).
- Kächele, M., et al. Multimodal data fusion for person-independent, continuous estimation of pain intensity. Engineering Applications of Neural Networks. , 275-285 (2015).
- Walter, S., et al. The BioVid Heat Pain Database - Data for the advancement and systematic validation of an automated pain recognition system. Cybernetics (CYBCONF), IEEE International Conference on Cybernetics. , 128-131 (2013).
- Velana, M., Walter, S., Gruss, S., Werner, P., Al-Hamadi, A. The SenseEmotion Database: A Multimodal Database for the Development and Systematic Validation of an Automatic Pain- and Emotion-Recognition System. Multimodal Pattern Recognition of Social Signals in Human-Computer-Interaction. MPRSS 2016. Lecture Notes in Computer Science. Schwenker, F., Scherer, S. , Springer. Cham. (2017).
- Lautenbacher, S., Peters, J. H., Heesen, M., Scheel, J., Kunz, M. Age changes in pain perception: a systematic-review and meta-analysis of age effects on pain and tolerance thresholds. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 75, 104-113 (2017).
- Kállai, I., Barke, A., Voss, U. The effects of experimenter characteristics on pain reports in women and men. Pain. 112 (1), 142-147 (2004).
- McCambridge, J., Witton, J., Elbourne, D. R. Systematic review of the Hawthorne effect: New concepts are needed to study research participation effects. Journal of Clinical Epidemiology. 67 (3), 267-277 (2014).
Przedruki i uprawnienia
