Denne artikkelen fokuserer på den eksperimentelle elicitation smerte gjennom varme (termisk) og elektrisk stimulering mens innspillingen fysiologiske, visuelle og paralinguistic svar. Mål for innsamling gyldige flere data for å analysere smerte basert på dens intensitet, kvalitet og varighet.
Vurdering av smerte avhengig av metoder som krever en person å kommunisere. Men for personer med kognitive og verbale impairments er eksisterende metoder ikke tilstrekkelig som de mangler pålitelighet og holdbarhet. Slik tilnærming problemet, fokuserer nyere forskning på en objektiv smerter vurdering tilrettelagt av parametere i svar fra fysiologi og lyd- og bildesignaler. For å utvikle pålitelige automatisert smerte anerkjennelse systemer, er innsats gjort i å lage flere databaser for å analysere smerte og oppdage gyldig smerte mønstre. Mens resultatene er lovende, fokusere de bare på kresne smerte eller smerte intensiteter versus ingen smerter. For å fremme dette, bør forskning også vurdere kvaliteten og varigheten av smertene som de gir mer verdifull informasjon for mer avanserte smertebehandling. For å utfylle eksisterende databaser og analyse av smerte om kvaliteten og lengden, foreslår notatet en psychophysiological eksperiment for å lokke fram, måle og samle gyldig smerte reaksjoner. Deltakerne er utsatt for smertefulle stimuli som varierer i intensitet (lav, middels og høy), varighet (5 s / 1 min), og modalitet (varme / elektriske smerte) mens lyd, video (f.eks ansiktsuttrykk, kroppen bevegelser, ansiktshuden temperatur), og fysiologiske signaler (f.eks elektrokardiogram [EKG], skin konduktans level [SCL], ansikts Elektromyografi [EMG] og EMG av M. trapezius) registreres. Studien består av en kalibreringsfase å fastslå et fag personlige smerte utvalg (fra lav til uutholdelig smerte) og en stimulering fase stimuli, avhengig av kalibrert intervallet, brukes i hvilke smerter. Innhentet data kan raffinering, forbedre og evaluere automatisk gjenkjenning systemer i form av en objektiv smerter vurdering. For videre utvikling av slike systemer og undersøke smerte reaksjoner i mer detalj, mer smerte modaliteter som trykk, bør kjemisk eller kald smerte inkluderes i fremtidige studier. Registrerte data av denne studien vil bli utgitt som “X-ITE smerte databasen”.
Smerte er en meget personlig og ubehagelig følelse som oppfattes annerledes av alle. Den varer fra sekunder til måneder kan variere i sin kvalitet (bankende, skarp, brenning, etc.). Hvis behandlet mangelfullt, smerte påvirker fysisk og psykisk funksjoner i kroppen, reduserer kvaliteten av livet, og bærer risikoen for å bli en kronisk tilstand. I kliniske omsorg er nøyaktig vurdering av smerte intensitet og kvalitet svært relevant å gi vellykket smerte ledelse1,2. Gull standardmetoder for å vurdere smerte, som den visuelle analoge skalaer (VAS), numerisk rangering skalaen (NRS) eller McGill smerte spørreskjemaet3, stole på selv rapporter om pasienter, og dermed bare jobbe tilstrekkelig med kognitivt og verbalt usvekket personer. Derfor etablerte alle de metoder mangler holdbarhet og pålitelighet når det gjelder nyfødte4, delirisk, somnolent, bedøvet, eller ventilert pasienter5, eller folk som lider av demens6,7. I tillegg til, eller som et alternativ til egenrapporterte skalaer, er metoder for å måle smerte gjennom observasjon av opplært personale (f.eks Zurich observasjon smerter vurdering8 eller Abbey smerte skala9) utviklet i de senere år. Likevel, selv disse verktøyene lider begrensninger i pålitelighet og holdbarhet, så selv utdannet raters ikke kan garantere en objektiv vurdering. Videre er programmet ofte for tidkrevende for kliniske personalet når smerter vurdering gjøres regelmessig.
Flere forskning team har fokusert på å utvikle automatisert smerte gjenkjenne systemer som tillater måle smerte ved fysiologiske, visuelle, og/eller paralinguistic signal setter nye metoder for vurdering og overvåking smerte og dens intensiteter objektivt. Tidligere studier viser lovende resultater i å oppdage og skille smerte10,11,12,13,16,17,18 eller kresne smerter fra grunnleggende følelser14,15 basert utelukkende på en av signalet angir10,11,12,13,14, 15 samt på en kombinasjon/fusion16,17,19 av settene. Ovennevnte modaliteter reagerer nesten selvstendig stressende stimuli som smerte. De har fordelen at de ikke krever en persons evne til å rapportere hans/hennes smerte. Slike individer ville ha stor nytte en objektiv smerte gjenkjennelse system som inneholder slike modaliteter. Datasett bestående av reaksjoner på fremkalte smerte gir verdifull informasjon for å analysere smerte mønstre og utvikle praktiske anvendelser for å oppdage og overvåking smerte. Blant annet Walter et al.20 opprettet “BioVid varme smerte databasen”, en flere database som er offentlig tilgjengelig og gir data fra kort tid indusert smertefulle varme stimuli og tilsvarende psychophysiological og visuelle reaksjoner. “SenseEmotion databasen” Velana et al.21 inkluderer biosignals, videoer og paralinguistic informasjon fra frivillige påvirket av phasic varme smerte og følelsesmessige stimuli.
Mens disse databasene er godt egnet for å undersøke smerte reaksjoner, er de hovedsakelig basert på en bestemt smerte modell. Som smerte forskjellig kvaliteten (angivelig ghds smerte) og varigheten, det kan være forskjellig i sin fysiologiske, visuelle og paralinguistic samsvarer. Til beste forfatterne kunnskap finnes ingen flere studier eller databaser som kombinerer to eller flere smerte modeller og variere smerte stimuli i intensitet og varighet for å ikke bare oppdage smerte mønstre, men også skille mellom smerte kvaliteter.
Dette papiret gir en protokoll om hvordan å gjennomføre en kompleks psychophysiological eksperiment for å lokke fram smerte og samtidig posten fysiologiske responser (f.eks EKG, EMG av Musculus trapeziusog corrugator supercilii zygomaticus store, SCL) og video (f.eks ansiktsuttrykk, kroppen bevegelser, ansiktshuden temperatur) og lyddata. Deltakerne er stimulert med kort (phasic) og lenger varig (tonic) varme og elektrisk smerte stimuli som varierer i intensitet. En kalibreringsfasen før eksperimentet bestemmer smerte terskler for hvert emne individuelt.
Studien tar sikte på å samle inn flere data for å undersøke smerte (mønstre) om intensitet, kvalitet og lengde ved hjelp av statistiske metoder, maskinlæring algoritmer, etc. I tillegg er allerede innsamlede data planlagt å bli offentliggjort for akademisk forskningsformål under navnet “X-ITE (Experimentally jegnduced Thermal og Electrical) smerte Database”. Det kan utvide eksisterende databaser, som BioVid varme smerte og SenseEmotion20,21, og bidra til videre utvikling, forbedring, og/eller evaluering av automatiserte smerte anerkjennelse systemer i saker av gyldigheten, pålitelighet og sanntid anerkjennelse.
Resten av papiret er organisert på følgende måte. Protokollen beskriver hvordan smerte elicitation studien trinnvis. Deretter presentere representant resultatene resultatet av eksperimentet. Til slutt, diskusjonen dekker avgjørende skritt, begrensningene og fordelene av studien etterfulgt av forslag for fremtidige utvidelser.
Presentert protokollen fokuserer på den eksperimentelle elicitation termisk (varme) og elektriske smerte mens innspillingen fysiologiske, visuelle og paralinguistic signaler. Denne romanen tilnærming, kombinere to smerte modeller med ulike stimuli intensitet og to ulike stimuli varigheter (phasic og tonic), tilbyr et bredt perspektiv om psychophysiological mønstre og uttrykk for smerter. Men for realisering av denne protokollen må flere trinn vurderes.
Generelt, hvis arbeider med smerte stimuli er det avgjørende å ivareta sikkerheten av fagene. Alle smerte stimuli må kontrolleres høyt og skal bare utføres av erfarne forskere.
Videre for innspilling og pålitelig og høy kvalitet datainnsamlingen, korrekt tilkobling av enheter (elektroder), anbefales perfekt funksjon av innspillingen og en glatt kommunikasjon mellom datamaskiner. Alle kilder til forstyrrelser bør elimineres eller redusert til et minimum. For å garantere samsvar mellom deltakere, er det viktig å gi standardisert instruksjoner og uforanderlig eksperimentelle forhold.
Vår erfaring finne egnet deltagere som oppfyller alle kriteriene og er villige til å motta mange smertefulle stimuli, lang tid og er ganske utfordrende. I tillegg til at må monetær kompensasjon være høy nok til å tiltrekke fag å studere. Spesielt personer mellom 30 og 50 år er vanskelig å finne. Dette kan være fordi eksperimentet er for lang (ca. 4 timer, ankomst og avreise) og de har å ta halv dag av fra arbeid.
Fordi sikkerheten til deltakerne er topp prioritet, må smerte induksjon begrenses. På grunn av etiske retningslinjer, må stimulans intensiteten ikke overskride visse nivåer for å hindre burns og bevisstløshet i termisk og elektriske induksjon, henholdsvis. En generell cutoff av intensitet kan resultere i en taket effekt som noen fag kan nå intensitet grensene før føler uutholdelig smerte. I denne studien nådde ca 42% (vurderer termisk kalibrering del 1 og 2) av deltakerne de termiske konsentrasjon (se representant resultater). Som de ikke nå sine “ekte” smerte toleranse, fungerer deres fysiologiske responser til høyeste termisk stimuli annerledes i motsetning til fysiologiske responser av fag som nådde dem. Så, kan blande disse to gruppene påvirke klassifisering resultatene ut smerte anerkjennelse.
Et viktig poeng til adressen er smerte modaliteter i dette eksperimentet. Deltakerne utsettes bare for varme og elektrisk stimuli (skyldes at disse er svært kontrollerbare i eksperimentell omgivelser). Dermed, hvis behandlingen smerte mønstre om kvalitet, funn kan ikke oversette til andre smerte modaliteter som trykk, kjemisk eller visceral smerte.
Samme vederlaget på overførbarhet resultater gjelder studie prøven. Protokollen er etisk begrenset til friske voksne. For eksempel inkluderer det ikke barn eller kognitivt og verbalt svekket personer. Videre i vår studie deltok bare europeiske mennesker. Også her, kan analyseresultater ikke gjelde for grupper ikke vurdert i dette eksperimentet.
En annen begrensning måtte angå Hawthorne effect24: fagene er klar over at de blir filmet/observert i studier. Dette kan endre sin atferd.
Sammenlignet med eksisterende smerte databaser, protokollen gir betydelige fordeler for å analysere smerte reaksjonsmønster som kombinerer to smerte modeller og to gang kurs (phasic og tonic): tillegg til intensitet og varighet av smerte, det også vurderer kvaliteten av smerte. Som termisk smerte er annerledes enn elektriske smerte (f.eks brennende vs skarp), den kan også variere i smerte reaksjonene. I så fall kan disse funnene koble en smerte reaksjonsmønster til den underliggende datakilden smerte. Videre studier er multimodal utvide rekke smerte etterforskning muligheter: bruke 5 psychophysiological signaler, 2 møte (foran/side) kameraet signaler, 1 body visning kamera signal, 1 termisk kamera og 1 lydsignalet, smerte kan bli analysert og vurdert mer presist.
For en mer komplisert etterforskning av smerte reaksjonsmønster, bør fremtidige utvidelser av denne metoden inneholde flere biosignals som Elektroencefalogram (EEG), kroppstemperatur og åndedrett. Det vil også være av stor nytte å ansette kontrollert press som ytterligere smerte modell. Forskere sikte på automatiske smerte anerkjennelse via data samlet med denne protokollen skal teste videre lovende maskin læring modeller med klinisk kontroll grupper.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne vil gjerne takke Verena Friedrich, Maria Velana, Sandra Gebhardt, Romy Bärwaldt og Tina Daucher for sine dyrebare hjelp i å gjennomføre studiet. I tillegg går en spesiell takk ut til Dr. Stefanie Rukavina for hennes vitenskapelig støtte. Denne forskningen var del av DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) “Avansement og systematisk validering av en automatisert smerte anerkjennelse på det grunnlaget av ansikts uttrykk og Psychobiological systemparametere” prosjektet, finansiert av tysk forskning Stiftelsen.
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 |