Dit artikel is gericht op de experimentele verdieping van pijn door middel van warmte (thermische) en elektrische stimulatie tijdens het opnemen fysiologische, visuele en paralinguistic reacties. Het is gericht op het verzamelen van geldige multimodale gegevens voor het analyseren van pijn op basis van haar intensiteit, kwaliteit en duur.
De beoordeling van pijn berust meestal op methodes die vereisen een persoon om te communiceren. Voor mensen met cognitieve en verbale waardeverminderingen zijn bestaande methoden echter niet voldoende omdat ze gebrek aan betrouwbaarheid en validiteit. Om de aanpak van dit probleem, recente onderzoek richt zich op een beoordeling van de objectieve pijn vergemakkelijkt door de parameters van de reacties die zijn afgeleid van fysiologie, en video- en audiosignalen. Ontwikkeling van betrouwbare geautomatiseerde pijn herkenning systemen, zijn er inspanningen verricht in het maken van multimodale databases te analyseren van pijn en geldig pijn patronen kunt ontdekken. Terwijl de resultaten veelbelovend zijn, richten zij alleen op differentiërende pijn of pijn intensiteiten versus geen pijn. Om dit verder, moet onderzoek ook overwegen de kwaliteit en de duur van de pijn als ze extra waardevolle informatie voor meer geavanceerde pijnbeheersing opleveren. Ter aanvulling van de bestaande databases en de analyse van pijn met betrekking tot de kwaliteit en lengte, stelt dit document een psychofysiologische experiment om te ontlokken, meten en verzamelen van geldige pijn reacties. Deelnemers zijn onderworpen aan pijnlijke stimuli die in intensiteit (lage, gemiddelde en hoge), duur verschillen (5 s / 1 min), en modaliteit (warmte / elektrisch pijn) terwijl het audio, video (bijv. mimiek, gebaren van het lichaam, temperatuur van de huid van het gelaat), en fysiologische signalen (bijvoorbeeld Elektrocardiogram [ECG], huid huidgeleiding niveau [SCL], gezicht elektromyografie [EMG] en EMG van M. trapezius) worden vastgelegd. De studie bestaat uit een kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd om te bepalen van een onderwerp individuele pijn variëren (van lage tot ondraaglijke pijn) en een stimulatiekuur in welke pijn stimuli, afhankelijk van de gekalibreerde bereik, worden toegepast. De verkregen gegevens kunnen verfijnen, verbeteren en het evalueren van geautomatiseerde systemen op het gebied van de beoordeling van een objectieve pijn. Voor de verdere ontwikkeling van dergelijke systemen en te onderzoeken van de pijn reacties in meer detail, extra pijn modaliteiten zoals druk, moet chemische of koud pijn worden opgenomen in toekomstige studies. Geregistreerde gegevens van dit onderzoek zal worden vrijgegeven als de “X-ITE pijn Database”.
Pijn is een zeer persoonlijke en onaangename sensatie die door iedereen anders wordt waargenomen. Het duurt van seconden tot maanden en kan variëren in zijn kwaliteit (kloppend, scherp, branden, etc.). Als onvoldoende behandeld, pijn invloeden van fysieke en psychologische functies van het lichaam, vermindert de kwaliteit van leven, en draagt het risico van een chronische aandoening geworden. In klinische zorg is de correcte inschatting van de intensiteit van de pijn en de kwaliteit zeer relevant zijn voor het verstrekken van de succesvolle pijn management1,2. Gouden standaard methoden voor de beoordeling van de pijn, zoals de visuele analoge schaal (VAS), de numerieke rating schaal (NRS) of de McGill pijn vragenlijst3, vertrouwen op zelf rapporten van patiënten en daarmee het werk van slechts voldoende met cognitief en verbaal onberispelijke personen. Derhalve vastgesteld die alle methoden gebrek aan validiteit en betrouwbaarheid als het gaat om de pasgeborenen4, ijlen, ingeslapen, ingetogen, of geventileerde patiënten5, of mensen die lijden aan dementie6,7. In aanvulling op of als alternatief voor zelfrapportage schalen, zijn methoden voor het meten van pijn door middel van observatie door geschoold personeel (bijvoorbeeld de Zurich waarneming pijn beoordeling8 of de abdij pijn schaal9) ontwikkeld in de afgelopen jaren. Niettemin, zelfs deze hulpprogramma’s lijden aan beperkingen in betrouwbaarheid en validiteit, aangezien ook getrainde beoordelaars een objectieve beoordeling niet kunnen waarborgen. De toepassing is bovendien vaak te tijdrovend voor klinisch personeel wanneer pijn beoordeling op een regelmatige basis gebeuren moet.
Verschillende onderzoeksteams hebben gericht op de ontwikkeling van de geautomatiseerde pijn herkennen systemen, waardoor voor het meten van pijn door middel van fysiologische, visuele, en/of paralinguistic signaal ingesteld als nieuwe methoden voor de evaluatie en de controle van de pijn en de intensiteiten objectief. Eerdere studies veelbelovende resultaten in opsporen en differentiatie van de pijn10,11,12,13,16,17,18 weergeven of discriminerende pijn van basisemoties14,15 , uitsluitend op basis van het signaal ingesteld10,11,12,13,14, 15 , evenals op een combinatie/fusion16,17,19 van de sets. De modaliteiten van de bovengenoemde reageren bijna autonoom op stressvolle prikkels zoals pijn. Het gebruik van hen heeft het voordeel dat zij vereisen niet iemands vermogen om te melden zijn/haar pijn. Deze personen zouden sterk profiteren van een objectieve pijn erkenningssysteem waarin dergelijke modaliteiten. Data sets bestaande uit reacties op pijn ontlokte bieden waardevolle informatie voor het analyseren van de patronen van de pijn en de ontwikkeling van praktische toepassingen voor de opsporing en controle van de pijn. Walter et al.20 gemaakt o.a. de “BioVid warmte pijn Database”, een multimodale database die publiekelijk beschikbaar is en biedt gegevens uit kort geïnduceerde pijnlijke warmte stimuli en bijbehorende psychofysiologische en visuele reacties. De “SenseEmotion-Database” van Velana et al.21 bevat biosignals, video’s, en paralinguistic informatie van vrijwilligers beïnvloed door phasic warmte pijn en emotionele stimuli.
Terwijl deze databases geschikt zijn voor de behandeling van pijn reacties, zijn ze meestal gebaseerd op één specifieke pijn-model. Zoals pijn in kwaliteit (vermoedelijk afhankelijk van het model van de pijn) en in de duur verschilt, het ook kan verschillen in de fysiologische, visuele en paralinguistic correleert. Tot de beste van de auteurs kennis bestaan geen multimodale studies of databases die twee of meer pijn modellen combineren en variëren van pijn prikkels in intensiteit en duur om niet alleen pijn patronen kunt ontdekken maar ook onderscheid worden gemaakt tussen de kwaliteiten van de pijn.
In deze paper wordt een protocol over hoe doe een complexe psychofysiologische experiment om het uitlokken van pijn en tegelijkertijd record fysiologische reacties (bijv. ECG, EMG van de Musculus trapezius, corrugator superciliien zygomaticus grote, SCL) en audiogegevens en video (bijv. mimiek, gebaren van het lichaam, temperatuur van de huid van het gelaat). Deelnemers worden gestimuleerd met korte (phasic) en meer duurzame (tonica) warmte en pijn van de elektrische stimuli die in intensiteit verschillen. Een kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd voorafgaand aan het experiment bepaalt pijn drempels voor elk onderwerp afzonderlijk.
De studie is gericht op het verzamelen van multimodale gegevens voor het onderzoeken van de pijn (patronen) met betrekking tot de intensiteit, de kwaliteit en de lengte door middel van statistische methoden, machine learning algoritmen, enz. Bovendien, is de reeds verzamelde gegevens gepland om te worden bekendgemaakt voor doeleinden van academisch onderzoek onder de naam “X-ITE (Experimentally iknduced Thermal en Electrical) pijn Database”. Het kan uitbreiden van de bestaande databases, zoals de BioVid warmte pijn en SenseEmotion20,21, en bijdragen aan de verdere ontwikkeling, verbetering en/of evaluatie van geautomatiseerde pijn herkenning systemen op het gebied van geldigheid, betrouwbaarheid en real-time erkenning.
De rest van het papier wordt georganiseerd op de volgende manier. Het protocol wordt beschreven hoe de pijn verdieping studie stap voor stap uit te voeren. De representatieve resultaten presenteren dan de uitkomst van het experiment. Tot slot, de discussie heeft betrekking op kritische stappen, beperkingen en voordelen van de studie, gevolgd door suggesties voor toekomstige uitbreidingen.
Het gepresenteerde protocol is gericht op de experimentele verdieping van thermische (warmte) en elektrische pijn terwijl opname fysiologische, visuele en paralinguistic signalen. Deze nieuwe aanpak, het combineren van twee pijn modellen met verschillende stimuli intensiteit en de duur van twee verschillende prikkels (phasic en tonic), biedt een breed perspectief over de psychofysiologische patronen en uitingen van pijn. Echter voor de realisatie van dit protocol moeten verschillende stappen worden beschouwd.
In het algemeen, als werken met pijn stimuli is het cruciaal om de veiligheid van de proefpersonen. Alle pijn stimuli moeten sterk worden gecontroleerd en moeten alleen worden uitgevoerd door ervaren onderzoekers.
Bovendien, voor de registratie en het verzamelen van betrouwbare en kwalitatief hoogstaande gegevens, de juiste bevestiging van apparaten (elektroden), de perfecte werking van opname-apparaten en een vlotte communicatie tussen computers wordt sterk aanbevolen. Alle bronnen van interferentie moeten worden geëlimineerd of tot een minimum beperkt. Om te garanderen van samenhang tussen deelnemers, is het belangrijk om te voorzien in gestandaardiseerde instructies en onveranderlijke experimentele omstandigheden.
Volgens onze ervaring, het vinden van geschikte deelnemers die aan alle criteria voldoen en willen ontvangen talrijke pijnlijke stimuli, duurt lang en is zeer uitdagend. Naast dat, moet de monetaire compensatie hoog genoeg zijn om aan te trekken van de onderwerpen aan de studie. Vooral personen die reizen tussen 30 en 50 jaar zijn moeilijk te vinden. Dit kan zijn omdat het experiment te is lang (ca. 4 uur, met inbegrip van aankomst en vertrek) en ze hebben een halve dag opstijgen van het werk.
Omdat de veiligheid van de deelnemers topprioriteit, kan pijn inductie moeten worden beperkt. Als gevolg van ethische richtlijnen overschrijden de stimulans intensiteiten bepaalde niveaus Voorkom brandwonden en bewusteloosheid op het gebied van thermische en elektrische pijn inductie, respectievelijk niet. Een algemene cutoff van intensiteit kan resulteren in een plafond effect als sommige vakken de plafonds voor de intensiteit bereiken kunnen voordat het gevoel van ondraaglijke pijn. In deze studie bereikt ongeveer 42% (gelet op thermische kalibratie deel 1 en 2) van de deelnemers de thermische cutoffs (Zie representatieve resultaten). Als ze hun “echte” pijn toleranties niet heeft bereikt, misschien hun fysiologische reacties op de hoogste thermische stimuli anders gedragen in tegenstelling tot de fysiologische reacties van onderwerpen die hen bereikt. Zo ja, het mengen van deze twee groepen classificatie resultaten op het gebied van de erkenning van de pijn te kan beïnvloeden.
Een belangrijk punt naar adres is de pijn modaliteiten in dit experiment. Deelnemers worden onderworpen alleen aan thermische en elektrische pijn prikkels (wijten aan het feit dat dit zeer beheersbare in een experimentele omgeving zijn). Dus, als behandeling van pijn patronen met betrekking tot kwaliteit, bevindingen kunnen niet vertalen naar andere modaliteiten van de pijn zoals druk, chemische of viscerale pijn.
De dezelfde behandeling op de overdraagbaarheid van de resultaten geldt voor het monster studie. Het protocol is ethisch beperkt tot gezonde volwassenen. Het omvat bijvoorbeeld niet kinderen of cognitief en verbaal verminderde personen. Bovendien, onze studie alleen Europese mensen deelnamen. Ook hier, analyseresultaten kunnen niet van toepassing op groepen niet beschouwd in dit experiment.
Een andere beperking kan betrekking hebben op de Hawthorne effect24: de onderwerpen weten dat ze gefilmd/waargenomen in de studie worden. Dit kan veranderen hun gedrag.
In vergelijking tot de bestaande gegevensbanken van de pijn, het protocol biedt aanzienlijke voordelen voor het analyseren van pijn reactie patronen zoals het combineert twee pijn modellen en twee tijdsverloop (phasic en tonic): naast de intensiteit en de duur van de pijn, het is ook van mening de kwaliteit van pijn. Zoals thermische pijn is anders dan elektrische pijn beschreven (bijvoorbeeld branden vs. sharp), het kan ook verschillen in de reacties van de pijn. Zo ja, kon deze bevindingen een pijn responsverloop link naar de onderliggende gegevensbron van de pijn. Bovendien, de studie is multimodale uit te breiden het bereik van pijn onderzoek kansen: dienst 5 psychofysiologische signalen, 2 gezicht (voor-en zijkant) camera signalen, 1 body weergave camera signaal, 1 thermische camera en 1 audio signaal, pijn kan worden geanalyseerd en meer precies beoordeeld.
Voor een meer complexe onderzoek van pijn reactie patronen, moeten toekomstige uitbreidingen voor deze methode bevatten meer biosignals zoals elektro-encefalografie (EEG), de lichaamstemperatuur en de ademhaling. Het zou ook van groot nut zijn voor de gecontroleerde druk in dienst als een verdere pijn-model. Onderzoekers die gericht zijn op erkenning van de automatische pijn via gegevens die zijn verzameld met dit protocol moeten verder veelbelovende machine leren modellen testen met klinische controlegroepen.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs bedank Verena Friedrich, Maria Velana, Sandra Gebhardt, Romy Bärwaldt en Tina Daucher voor hun waardevolle hulp bij het uitvoeren van de studie. Bovendien, gaat een speciale dank uit naar Dr. Stefanie Rukavina voor haar wetenschappelijke ondersteuning. Dit onderzoek maakte deel uit van de DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) “Advancement en systematische validatie van een geautomatiseerde pijn erkenning on the Basis of Facial Expression en psychobiologische systeemparameters” project, gefinancierd door het Duits onderzoek Stichting.
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 |