本文的重点是实验引起疼痛通过热 (热) 和电刺激, 同时记录生理, 视觉和副语言的反应。它旨在收集有效的多模态数据, 以便根据疼痛的强度、质量和持续时间来分析疼痛。
疼痛的评估主要依靠需要一个人交流的方法。然而, 对于有认知和语言障碍的人来说, 现有的方法是不够的, 因为它们缺乏可靠性和有效性。为了解决这个问题, 最近的研究侧重于客观的疼痛评估, 其基础是来自生理、视频和音频信号的反应参数。为了开发可靠的自动疼痛识别系统, 我们努力创建多模式数据库, 以分析疼痛并检测有效的疼痛模式。虽然结果很有希望, 但他们只关注鉴别疼痛或疼痛强度与不疼痛。为了推进这一进程, 研究还应考虑疼痛的质量和持续时间, 因为它们为更高级的疼痛管理提供了额外的有价值的信息。为了补充现有的数据库和质量和长度的疼痛分析, 本文提出了一个心理生理实验, 以获得, 测量, 并收集有效的疼痛反应。参与者在音频、视频 (如面部表情、身体手势、面部皮肤温度) 和生理方面受到不同强度 (低、中、高)、持续时间 (5秒/1分钟) 和方式 (热/电疼痛) 等不同的痛苦刺激。信号 (如心电图 [心电图]、皮肤电导率水平 [SCL]、面部肌电图 [EMG] 和 m .梯形肌电图) 被记录。这项研究包括一个校准阶段, 以确定一个被试的个人疼痛范围 (从低疼痛到不可容忍的疼痛) 和刺激阶段, 其中疼痛刺激, 根据校准的范围, 应用。所获得的数据可能允许在客观疼痛评估方面完善、改进和评估自动识别系统。为了进一步发展这种系统, 并更详细地调查疼痛反应, 应在今后的研究中纳入压力、化学或冷痛等额外的疼痛方式。这项研究的记录数据将作为 “X-ITE 疼痛数据库” 发布。
疼痛是一种非常个人化和不愉快的感觉, 每个人都有不同的感觉。它的持续时间从几秒钟到几个月, 质量可能会有所不同 (抽搐、锐利、燃烧等)。如果治疗不当, 疼痛会影响身体的身体和心理功能, 降低生活质量, 并承担成为慢性病的风险。在临床护理中, 准确评估疼痛强度和质量对于提供成功的疼痛管理 1,2非常相关。评估疼痛的黄金标准方法, 如视觉模拟量表 (VAS)、数字评分表 (NRS) 或 Mgill 疼痛问卷 3, 依赖于患者的自我报告, 因此, 仅在认知和口头上充分使用未受损的人。因此, 所有这些既定的方法缺乏有效性和可靠性, 当涉及到新生儿 4, 神志不清, 嗜睡, 镇静剂, 或通风的病人5,或患有老年痴呆症 6, 7.除了自我报告量表之外或作为自我报告量表的替代品, 近年来还开发了通过训练有素的人员观察来测量疼痛的方法 (例如, 苏黎世观察疼痛评估 8或修道院疼痛量表 9)。然而, 即使是这些工具在可靠性和有效性方面也受到限制, 因为即使是受过训练的评分者也不能保证进行客观的评估。此外, 当疼痛评估应定期进行时, 临床工作人员的应用往往过于耗时。
几个研究小组专注于开发自动疼痛识别系统, 这些系统可以通过生理、视觉、副语言信号集作为评估和监测疼痛及其强度的新方法来测量疼痛客观。先前的研究表明, 在检测和区分疼痛10、11、12、13、16、17、18或区分疼痛从基本情绪14,15完全基于其中一个信号集10,11,12,13,14, 15以及在组合或融合 16,17,19集合。上述方式几乎可以自主地对疼痛等有压力的刺激做出反应。使用它们的好处是, 它们不需要一个人报告他的痛苦的能力。这些人将大大受益于纳入这种方式的客观疼痛识别制度。由引起疼痛的反应组成的数据集为分析疼痛模式和开发检测和监测疼痛的实际应用提供了宝贵的信息。除其他外, Walter 等人20 人创建了 “Bivid 热疼痛数据库”, 这是一个可公开使用的多式联运数据库, 提供了短时诱发疼痛热刺激的数据以及相应的心理生理和视觉反应。Velana 等人21 的 “感知数据库” 包括受相热疼痛和情绪刺激影响的志愿者提供的生物信号、视频和副语言信息。
虽然这些数据库非常适合检查疼痛反应, 但它们大多基于一个特定的疼痛模型。由于疼痛的质量不同 (据称取决于疼痛模型) 和持续时间, 它在生理、视觉和副语言方面也可能不同。据作者所知, 没有多式联运研究或数据库结合两个或两个以上的疼痛模型, 并在强度和持续时间上改变疼痛刺激, 以便不仅检测疼痛模式, 而且区分疼痛品质。
本文提供了一个关于如何进行复杂的心理生理实验, 以引起疼痛, 同时记录生理反应 (如, 心电图, 肌电图的梯形,瓦楞纸剂超纤毛, 和胃痛主要, scl) 以及视频 (如面部表情, 身体手势, 面部皮肤温度) 和音频数据。参与者受到短 (相) 和更持久 (补品) 热和电疼痛刺激的刺激, 强度不同。实验前的校准阶段可分别确定每个受试者的疼痛阈值。
本研究旨在通过统计方法、机器学习算法等, 收集多模态数据, 用于调查强度、质量和长度方面的疼痛 (模式)。此外, 已经收集的数据计划出版的学术研究的目的是以 “X-ITE (Ex全生我诱导 t hermal 和e说教) 痛苦数据库” 的名义出版. 它可以扩展现有的数据库, 如 biovid热疼痛和感觉 20, 21, 并有助于进一步开发、改进和/评估自动疼痛识别系统的有效性问题,可靠性和实时识别。
本文的其余部分按以下方式组织。该协议描述了如何逐步进行疼痛诱发研究。然后, 有代表性的结果给出了实验的结果。最后, 讨论涉及研究的关键步骤、局限性和好处, 然后对今后的扩展提出建议。
该协议的重点是在记录生理、视觉和副语言信号的同时, 对热 (热) 和电痛进行实验激发。这种新颖的方法结合了两个不同刺激强度和两种不同刺激持续时间 (相变和强直) 的疼痛模型, 提供了一个广泛的视角, 关于疼痛的心理生理模式和表达。然而, 为了实现这一议定书, 需要考虑几个步骤。
一般来说, 如果与疼痛刺激的工作是至关重要的, 以确保对象的安全。所有的疼痛刺激都必须高度控制, 只能由有经验的实验者进行。
此外, 为了记录和收集可靠和高质量的数据, 强烈建议正确连接设备 (电极)、记录设备的完美功能以及计算机之间的顺畅通信。应取消所有干扰来源或将其减少到最低限度。为了保证参与者之间的一致性, 必须提供标准化的指令和不变的实验条件。
根据我们的经验, 找到符合所有标准并愿意接受无数痛苦刺激的合适参与者, 需要很长时间, 而且相当具有挑战性。除此之外, 货币补偿必须足够高, 才能吸引研究对象。特别是 3 0岁至 5 0岁的人很难找到。这可能是因为实验时间太长 (大约 4个小时, 包括到达和离开), 他们必须休息半天。
由于参与者的安全是重中之重, 疼痛诱导可能需要加以限制。根据道德准则, 刺激强度不得超过一定水平, 以防止热和电疼痛诱导方面的烧伤和昏迷。一般的强度中断可能会导致天花板效应, 因为有些研究对象可能会达到强度限制之前, 感觉难以忍受的疼痛。在这项研究中, 约42% 的参与者 (考虑到热校准第1部分和第2部分) 达到了热截止 (见代表性的结果)。由于它们没有达到 “真正” 的疼痛容忍度, 它们对最高热刺激的生理反应可能与到达它们的受试者的生理反应不同。如果是这样, 将这两组混合在一起可能会影响疼痛识别方面的分类结果。
需要解决的一个重要问题是这个实验中的疼痛模式。参与者只受到热和电疼痛刺激 (因为这些在实验环境中是高度可控的)。因此, 如果检查有关质量的疼痛模式, 发现可能不会转化为其他疼痛模式, 如压力, 化学或内脏疼痛。
同样的考虑是结果的可转移性也适用于研究样本。该协议在道德上仅限于健康的成年人。例如, 它不包括儿童或认知和口头受损的人。此外, 在我们的研究中, 只有欧洲人参加。此外, 在这里, 分析结果可能不适用于本实验未考虑的组。
另一个限制可能与霍桑效应24有关: 研究对象意识到他们在研究中被观察到。这可能会改变他们的行为。
与现有的疼痛数据库相比, 该协议为分析疼痛反应模式提供了显著优势, 因为它结合了两个疼痛模型和两个时间过程 (相位和补药): 除了疼痛的强度和持续时间外, 它还考虑了疼痛的质量痛苦。由于热疼痛的描述与电疼痛不同 (例如, 燃烧与尖锐), 因此它在疼痛反应中也可能不同。如果是这样, 这些发现可能会将疼痛反应模式与疼痛的潜在来源联系起来。此外, 本研究还采用多模态, 拓宽疼痛调查的机会范围: 采用5个心理生理信号、2个正面 (正面) 相机信号、1个人体视光摄像机信号、1个热像仪和1个音频信号, 可以分析和分析疼痛。更精确地评估。
对于更复杂的疼痛反应模式的调查, 这种方法的未来扩展应包括更多的生物信号, 如脑电图 (EEG)、体温和呼吸。将控制压力作为进一步的疼痛模型也将是非常有益的。研究人员的目标是通过使用该协议收集的数据自动识别疼痛, 应该进一步测试有希望的机器学习模型与临床对照组。
The authors have nothing to disclose.
作者要感谢 Verena Friedrich、Maria Velana、Sandra Gebhardt、Romy Bärwaldt 和 Tina Daucher 为开展这项研究提供的宝贵帮助。此外, 还特别感谢斯特凡妮·鲁卡维纳博士的科学支持。这项研究是由德国研究资助的 DFG\ TR223.12 (http://www.dfg.de/) “基于面部表情和心理生物学参数的自动疼痛识别系统的推进和系统验证” 项目的一部分。基础。
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 |