Summary
Att mäta smärta hos icke-verbala patienter är en utmaning. I denna studie kombinerar vi EEG inspelning med stimulering med en platt-tip sond för att upptäcka skadliga-framkallat hjärnans aktivitet på ett objektivt sätt.
Abstract
Smärta är en obehaglig sensorisk och känslomässig upplevelse. Icke-verbala patienter är det mycket svårt att mäta smärta, även med verktyg för bedömning av smärta. Dessa verktyg är subjektiva eller bestämma sekundära fysiologiska indikatorer som också har vissa begränsningar, särskilt när du utforskar effekten av analgesi. Som kortikal behandling är nödvändig för smärtupplevelse, kan hjärnan aktiviteten åtgärder ge en användbar metod för att bedöma smärta hos spädbarn. Här presenterar vi en metod för att bedöma nociception med elektrofysiologiska hjärnan aktivitetsinspelningar optimerad för användning hos nyfödda barn. För att producera mycket standardiserad och reproducerbara skadliga stimuli tillämpat vi mekanisk stimulering med en platt-tip sond, t.ex., nålstick, som inte är hud-bryta och inte orsaka beteendemässiga nöd. Den skadliga-evoked potentialen tillåter den objektiva mätningen av nociception i icke-verbal patienter. Denna metod kan användas hos nyfödda barn så tidigt som 34 veckors gestationsålder. Dessutom skulle det kunna tillämpas i olika situationer såsom mäta effekten av bedövningsmedel eller smärtstillande läkemedel.
Introduction
Smärta är en obehaglig sensorisk och emotionell upplevelse i samband med faktiska eller potentiella vävnadsskada, eller beskrivs i termer av sådan skada1. Oförmågan att kommunicera verbalt förneka inte möjligheten att en individ upplever smärta men gör det mycket svårt att bedöma smärtstillande behandling, till exempel i nyfödda barn2. Flera beteendemässiga och fysiologiska indikatorer används för att bedöma smärta hos icke-verbala patienter. Olika skalor har utvecklats under åren, valet beror på vilken typ av stimulans, graviditetsdiabetes ålder och den miljö där nyfödda bädda3,4,5. Dessa verktyg för bedömning av smärta lita antingen på de rater tolkning eller de kräver sekundära fysiologiska indikatorer.
I denna video presenterar vi en metod för att bedöma nociception med elektrofysiologiska inspelningar optimerad för användning hos nyfödda barn. Nociception definieras som den neural processen av kodning skadliga stimuli. Således, quantitating nociception är en elegant och objektiv metod för att bestämma den neurala input i en icke-verbal person. Dessutom är kortikal aktivitet upptäcks av elektroencefalografi (EEG) korrelerad med intensiteten av skadliga händelser5,6.
Metoden presenteras här kombinerar EEG inspelning med skadliga stimuli som produceras av en mekanisk stimulering med en platt-tip sond, även kallas ett nålstick7, som inte är hud-bryta och inte orsaka beteendemässiga nöd6. Det har visat, att nociception följande punktera stimulering medieras huvudsakligen av Aδ-fibrer, gör inte behovet av en hud att bryta lesion8 och omfattningen av de nociceptiva-specifika potentiella inte beror på sova stat9. Sonden är väl accepterat även av föräldrar vid tillämpning av denna metod i en studie inställning med nyfödda. Sonden kopplas elektroniskt till EEG inspelningssystemet gör det möjligt att EEG inspelningen ska taggas just när sonden i kontakt med huden. Detta förenklar processen för tid låsning och är förutsättningen för alla efterföljande EEG analyser. För att minimera förberedelsetid för spädbarn EEG inspelningen använde vi en modifierad internationella 10/20 elektrod placering system där vi minskat antalet elektroder till minimikravet av tre elektroder (figur 1). Den centrala vertex Cz elektroden, där de skadliga-framkallat hjärnaktivitet är maximal9,10,11, användes tillsammans med en referens och en marken elektrod.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Studien var godkänd av den behöriga etiska kommittén i nordvästra Schweiz (EKNZ 2015-079) och informerade skriftliga föräldramedgivande för deltagaren erhölls innan mätningen.
1. beredning
- Se till att barnet är fast. Det bör vara lugnt och fast, utan sugande rörelser under inspelningen på grund av rörelse artefakter. Barnet kan somna9.
- Mäta det nyfödda barnets huvud omkrets med ett måttband att definiera storleken på EEG locket.
- Identifiera den aktiva elektrod ståndpunkten: Cz / vertex position genom att markera den mellersta punkten mellan nasion och inion och den mellersta punkten mellan den vänstra och högra preaurical punkt med en hud markör penna. För positionering elektroderna Se även figur 1.
- Identifiera positionerna för marken elektroden: rätt panna (Fp2) och referenselektroden: vänster mastoideus (A1).
- Rengöra elektroden webbplatser (Cz, Fp2 och A1) med desinfektionsmedel med hjälp av en bomullspinne. Vid en hel del hår, separera håret för att visualisera hårbotten.
- Försiktigt skrubba på elektroden webbplatser med EEG prepping pasta, med hjälp av en bomullspinne, till lägre impedans.
- Placera EEG lock med elektroderna fästas på det nyfödda barnets huvud.
- Injicera konduktiv EEG gel i elektroderna med en spruta med en kort plast nål för att optimera kontakten mellan elektroderna och hårbotten.
- Justera elektroderna tills impedansen understiger 50 kΩ som beskrivs i tillverkarens rekommendationer och i publicerade riktlinjer12.
- Placera en kamera för att spela in det nyfödda barnets ansiktsuttryck.
- Anslut sonden platt-tips till kontakt utlösa enheten, som är fastställd till EEG inspelningsenheten. När platt-tip sonden når den nominella kraften på huden, genereras en trigger signal kontakt utlösa enheten. Denna signal skickas till datorn, taggning EEGEN inspelning med en trigger-märket.
2. mätning
- Välj en studie namn att lagra data.
-
Lägga till online band pass filter:
- Visa filter:
Låg cutoff filter: frekvens: 1 Hz
Hög cutoff filter: frekvens: 70 Hz
Notch filter: 50 Hz
Samplingsfrekvens: 2000 Hz
- Visa filter:
- Start EEGEN och videoinspelning.
- Håll det nyfödda barnets högra hand i horisontellt läge. Stimulans kan också tillämpas på en annan webbplats, se e.g. foten, vilket resulterar i längre svarstid än från hand, för detaljer 3,7.
- Första posten bakgrund EEG aktivitet. Medan det nyfödda barnets hand hålls, kommentera EEG inspelningen manuellt för att registrera perioder där några stimuli tillämpas och barnet vilar.
- Genomföra den nödvändiga mängden platt-tip sonden stimuli enligt studieupplägget på det nyfödda barnets högra hand. I vår försöksplanering, ange det antalet platt-tip sonden stimuli vid 50. Var försiktig med att använda platt-tip sonden vinkelrätt till det nyfödda barnets hand så att spetsen inte böja och tillämpas korrekt. Utföra de plan-tip sonden stimuli med minst en 2 till 3 s mellan stimulus intervall (ISI)6 för att undvika summering.
- Stoppa alla inspelningar.
- Dokumentera de experimentella inställningsinformation.
3. dataanalys
- Filtrera EEG rådata offline med ett högpassfilter på 1 Hz och ett lågpassfilter vid 30 Hz.
- Segmentera data i epoker av 1 500 ms (500 ms innan till 1000 ms efter stimulans debut).
- Utföra en Baslinjejustering före stimulans intervall.
- Manuellt avvisa EEG epokerna som innehåller artefakter, såsom rörelse artefakter och brus, efter okulärbesiktning. Se även handledning dispositionen: https://sccn.ucsd.edu/wiki/Chapter_01:_Rejecting_Artifacts
- Genomsnittlig EEG epoker (för bakgrund och stimulans svar separat).
- Woody filtrera data med en maximal jitter ± 50 ms i tidsfönstret 0 - 1000 ms post stimulans debut. Detta möjliggör latens skillnader mellan spädbarn. Gör detta för bakgrund och stimulans Svaren separat.
- Projicera en mall av skadliga-framkallat hjärnaktivitet, som definierades i en oberoende dataset och har beskrivits i detalj på annan plats11 vidare till data att fastställa omfattningen av den skadliga-framkallat svaren inom varje individuell prövning. Mallen beskriver en karakteristisk vågform av skadliga-framkallat svar och omfattningen återspeglar mängden denna skadliga-framkallat svar inom den individuella prövningen.
Obs: Tidsfönstret som till projektets mallen är beroende av ålder barnet och stimulans position. Om stimuli tillämpas på handen då tidsfönstret av intresse är post 200-500 ms stimulans11. Om stimuli tillämpas på foten då tidsfönstret av intresse är post 400-700 ms stimulans11. Observera att mallen endast för närvarande har validerats för spädbarn mellan 34-43 veckor dräktighet. För detaljerade metoder med den här mallen, och en diskussion om begränsningar, se Hartley et al. 201711. - Kontrollera att omfattningen av de skadliga-framkallat hjärnaktivitet som beräknats med hjälp av mallen är betydligt högre efter den stimulans, jämfört med i bakgrunden EEG.
- Analysera de beteendemässiga ansiktsuttryck efteråt (kameran är kopplad till EEGEN inspelning) använder den Neonatal Facial Coding System2,13.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 är en schematisk representation av elektroden positionering med hjälp av modifierade internationella 10/20 elektrod placering systemet. Figur 2 visar aktiviteten EEG registreras strax före och efter tillämpningen av en enda skadliga stimulans med en platt-tip sond med 32 mN kraft, stimulering uppstod som beskrivs i protokollet till det nyfödda barnets högra hand (figur 2A). Den skadliga-framkallat svaren är synlig vid ca 300 ms inlägg stimulans uppkomsten (tid 0). Figur 2B visar den genomsnittliga Svaren av 50 stimuli tillämpas med en kraft av 32 mN på samma patient. Observera att den skadliga-evoked potentialen är tydligare om fler stimuli tillämpas. Woody filtrering, kan som visas i figur 2 c, användas att justera för liten variabilitet i svar latensen. Fördefinierad mall11, visas i rött, är projiceras på EEGEN att beräkna omfattningen av den skadliga-framkallat svaren.
Figur 1: Schematisk representation av elektrod placering med hjälp av modifierade internationella 10/20 elektrod placering systemet.
Figur 2: EEG aktivitet registreras som svar på den experimentella skadliga stimuleringen. Ett platt-tip sonden stimulus (32 mN) tillämpades på högra av en patient, tidsfönstret för intresse 200-500 ms efter stimulans är skuggade. Panelen A: EEG aktivitet efter en enda stimulus, huvudsakliga toppen vid 250 ms är markerad med en pil. Panelen B: i genomsnitt svar efter 50 stimuli. Panelen C: Woody filtrerade data med projicerade mall (röd). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Den strategi som presenteras här visar hur skadliga-framkallat hjärnans aktivitet hos nyfödda kan mätas på ett objektivt sätt med EEG inspelning och platt-tip sonden stimulatorer för att använda experimentella skadliga stimuli. Denna teknik kan användas i olika kliniska inställningar för att upptäcka nociception, e.g. i icke-verbala personer såsom nyfödda. Den kompletta studien kan göras inom 15 min, inklusive utsläppande barnet, identifiera, förbereda och montering elektroderna, och slutligen tillämpar och inspelning av 50 skadliga stimuli. Stimuli orsakar inte spädbarn beteendemässiga nöd, och detta tillvägagångssätt ger en objektiv metod att bedöma nociception hos spädbarn.
I denna studie använde vi ett platt-tip sonden stimulus med en mild kraft för 32 mN. Högre krafter av 64 mN eller 128 mN kan även tillämpas hos nyfödda men kan leda till ökad rörelser artefakter på grund av lem uttag. Vi märkte att i vår studie nyfödda accepterat en kraft för 32 mN väl och inte återkalla deras lemmar, medan en stimulus med 128 mN kraft leder till bilaterala reflex uttag6. Det har visat att den skadliga-evoked potentialen är större beroende på styrkan av platt-tip sonden stimulans (32 vs 64 mN)6,14. Verriotis et al. visade att barn vid en ålder av 1 år har högre amplitud i deras evenemangsrelaterade vertex potentiella och högre smärta betyg än nyfödda barn15. Styrkan av platt-tip sonden stimulans kan därför anpassas beroende på ålder av patientens16.
Tidigare studier registreras nociception från nyfödda som vårdade liggande eller benägna eller även på deras sida. För att hålla experimentella inställningarna konstant, rekommenderar vi att hålla en ställning särskilt när du utför en studie med flera deltagare. Vi hittade att utföra mätningen i ryggläge fungerat bra. Vi utförde de plan-tip sonden stimuli på det nyfödda barnets hand. Placering och hantering av det nyfödda barnet kan vara enklare om du ansöker stimuli till hand jämfört med foten. Foten i själva verket är mer vanligt förekommande i studier, men vi fann att stimulera baksidan av handen kan vara lättare än komme till foten. Reflex uttag är en användbar kompletterande åtgärd av nociceptiva aktivitet, som kan införlivas i en flerdimensionell bedömning av smärta i detta utmanande icke-verbala befolkningen17.
Trots att undvika eventuella obehag och rörelse artefakter finns det alltid spontana neuronal aktivitet. Filtrering och i genomsnitt är således viktigt för att dämpa bakgrundsljud och visualisera händelsen med potential. Upprepning av platt-tip sonden stimuli, t ex 50, förbättrar också, starkt signal-brus-förhållandet. Att analysera data, tid-låsning av alla mätningar är avgörande.
En ytterligare teknisk utmaning hos nyfödda strax efter födseln är förekomsten av vernix caseosa beläggning huden hos nyfödda spädbarn inklusive huvudet, vilket är varför deras hud behöver rengöras noggrant med en extra prepping pasta även när aktiva elektroder är används. Enligt vår mening, är aktiva elektroder bättre lämpade för denna metod än passiva elektroder eftersom de är mindre känsliga för externa rörelse på trådarna. De är dessutom enklare att använda eftersom de accepterar högre impedanser på grund av den inbyggda förförstärkaren. Passiva elektroder kan dock användas också.
För analys av data använde vi den metod som beskrivs av Hartley o.a. 6 , 11. en annan metod är tidsfrekvens analysen framgår av Hu et al. 18.
Sammantaget kräver den tekniska metoder, setup och tolkning av resultaten ett utbildade team med helst två människor gör mätningen, en tillämpa stimuli medan den andra kontrollerar EEGEN. Om det nyfödda barnet är oreglerat, EEGEN kommer vara förorenat med rörelse artefakter och det är inte möjligt att utföra mätningarna. Också, på grund av giltighet, det är obligatoriskt att ha ett visst antal stimuli, som kan vara utmanande.
Nociception mognar tidigt i livet och så tidigt som 34 veckors gestation den nyfödda hjärnan kan skilja mellan touch och nociception17. Under år 34 veckors gestation är spädbarn mer sannolikt att generera ospecifik neuronala skurar19 i sena-prematura spädbarn börjar på 34 veckors gestation den här beskrivna metoden kan vara begagnade11. Den här metoden öppnar dörren för en mängd forskning utredningar. Det kan till exempel användas att testa effekterna av födelse-relaterad stress på nociception20 eller att testa specifika effekterna av olika smärtstillande läkemedel i nyfödda och spädbarn6,21. Exempelvis har protokollet presenteras här nyligen använts i en studie som visar effekten av lokal lokalbedövningsmedel med att minska den skadliga-evoked potentialen när en skadliga stimulans kopplades till en behandlade fot jämfört bakgrund aktivitet eller att den obehandlade fot11.
Sammanfattningsvis, gör skadliga-framkallat hjärnan potentialer i EEG inspelningar det möjligt att objektivt undersöka surrogat åtgärder av smärtupplevelse i icke-verbal patienter. Denna metod är tillämplig för användning i kliniska inställningen i forskning utredningar. Genom att tid-låsa de plan-tip sonden stimuli till EEGEN är inspelning det möjligt att på ett tillförlitligt sätt utvärdera elektrofysiologiska nociceptiva svaret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna Caroline Hartley och Rebeccah Slater (Institutionen för pediatrik, University of Oxford, UK) för att kritiskt granska våra papper och Walter Magerl (Institutionen för neurofysiologi, Center av biomedicin och medicinteknik Mannheim (CBTM), universitetar av Heidelberg, Tyskland) för att stödja oss med teknisk utrustning och kunskap.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Easycap | EASYCAP GmbH | AC-32-C | EEG caps for infants sizes 34 and 36 |
| actiCAP | Brain Products GmbH | BP-04243-SIG | active electrodes |
| ImpBox | Brain Products GmbH | impedance measurement | |
| V-Amp | Brain Products GmbH | EEG recording device | |
| Contact trigger for pinprick stimulation | MRC Systems GmbH | ||
| PinPrick stimulator set | MRC Systems GmbH | ||
| EEG prepping paste | USB Pharmacy | contains sodium chloride, pumice stone, propylene glycol | |
| SuperVisc | EASYCAP GmbH | Electrolyte-Gel for active electrodes | |
| Brain Vision Recorder | Brain Products GmbH | ||
| Brain Vision Analyzer | Brain Products GmbH | ||
| MATLAB using EEGLAB | Swartz Center for Computational Neuroscience, University of California San Diego | For EEG processing, including averaging of all EEG epochs |
References
- Bonica, J. J. The need of a taxonomy. Pain. 6 (3), 247-248 (1979).
- Duhn, L. J., Medves, J. M. A systematic integrative review of infant pain assessment tools. Adv Neonatal Care. 4 (3), 126-140 (2004).
- Witt, N., Coynor, S., Edwards, C., Bradshaw, H. A Guide to Pain Assessment and Management in the Neonate. Curr Emerg Hosp Med Rep. 4, 1-10 (2016).
- Hummel, P., van Dijk, M. Pain assessment: current status and challenges. Semin Fetal Neonatal Med. 11 (4), 237-245 (2006).
- Slater, R., Fitzgerald, M., Meek, J. Can cortical responses following noxious stimulation inform us about pain processing in neonates? Semin Perinatol. 31 (5), 298-302 (2007).
- Hartley, C., et al. The relationship between nociceptive brain activity, spinal reflex withdrawal and behaviour in newborn infants. Sci Rep. , 31 (2015).
- Iannetti, G. D., Baumgärtner, U., Tracey, I., Treede, R. D., Magerl, W. Pinprick-evoked brain potentials: a novel tool to assess central sensitization of nociceptive pathways in humans. J Neurophysiol. 110 (5), 1107-1116 (2013).
- Ziegler, E. A., Magerl, W., Meyer, R. A., Treede, R. D. Secondary hyperalgesia to punctate mechanical stimuli. Central sensitization to A-fibre nociceptor input. Brain. 122 (Pt 12), 2245-2257 (1999).
- Slater, R., et al. Evoked potentials generated by noxious stimulation in the human infant brain. Eur J Pain. 14 (3), 321-326 (2010).
- Fabrizi, L., et al. A shift in sensory processing that enables the developing human brain to discriminate touch from pain. Curr Biol. 21 (18), 1552-1558 (2011).
- Hartley, C., et al. Nociceptive brain activity as a measure of analgesic efficacy in infants. Sci Transl Med. 9 (388), (2017).
- Keil, A., et al. Committee report: publication guidelines and recommendations for studies using electroencephalography and magnetoencephalography. Psychophysiology. 51 (1), 1-21 (2014).
- Grunau, R. V., Johnston, C. C., Craig, K. D. Neonatal facial and cry responses to invasive and non-invasive procedures. Pain. 42 (3), 295-305 (1990).
- van den Broeke, E. N., et al. Characterizing pinprick-evoked brain potentials before and after experimentally induced secondary hyperalgesia. J Neurophysiol. 114 (5), 2672-2681 (2015).
- Verriotis, M., et al. Cortical activity evoked by inoculation needle prick in infants up to one-year old. Pain. 156 (2), 222-230 (2015).
- Rolke, R., et al. Quantitative sensory testing in the German Research Network on Neuropathic Pain (DFNS): standardized protocol and reference values. Pain. 123 (3), 231-243 (2006).
- Moultrie, F., Slater, R., Hartley, C. Improving the treatment of infant pain. Curr Opin Support Palliat Care. 11 (2), 112-117 (2017).
- Hu, L., Zhang, Z. G., Mouraux, A., Iannetti, G. D. Multiple linear regression to estimate time-frequency electrophysiological responses in single trials. Neuroimage. 111, 442-453 (2015).
- Hartley, C., et al. Changing Balance of Spinal Cord Excitability and Nociceptive Brain Activity in Early Human Development. Curr Biol. 26 (15), 1998-2002 (1998).
- Evers, K. S., Wellmann, S. Arginine Vasopressin and Copeptin in Perinatology. Front Pediatr. 4 (75), (2016).
- Slater, R., et al. Oral sucrose as an analgesic drug for procedural pain in newborn infants: a randomised controlled trial. Lancet. 376 (9748), 1225-1232 (2010).
