Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Multimodale signaler til at analysere smerte reaktioner på termiske og elektriske Stimuli

doi: 10.3791/59057 Published: April 5, 2019

Summary

Denne artikel fokuserer på den eksperimentelle udvikling af smerte gennem varme (termisk) og elektrisk stimulation under indspilning af fysiologiske, visual, og paralinguistic svar. Formålet er at indsamle gyldig multimodale data til at analysere smerte baseret på dens intensitet, kvalitet og varighed.

Abstract

Vurdering af smerte bygger primært på metoder, der kræver en person til at kommunikere. For mennesker med kognitive og verbal svækkelser er eksisterende metoder ikke tilstrækkelige, da de mangler pålidelighed og gyldighed. For at nærme sig problemet, fokuserer nyere forskning på objektive smerte vurdering lettes ved parametre af svarene afledt af fysiologi og video og audio signaler. For at udvikle pålidelige automatiseret smerte anerkendelse systemer, har været bestræbelser i at skabe multimodale databaser for at analysere smerte og påvise gyldig smerte mønstre. Mens resultaterne er lovende, fokusere de kun på diskriminerende smerte eller pain intensiteter versus ingen smerter. For at fremme dette, bør forskning også overveje kvaliteten og varigheden af smerter som de giver ekstra værdifulde oplysninger til mere avancerede smertebehandling. Som supplement til eksisterende databaser og analyse af smerter med hensyn til kvalitet og længde, foreslår dette papir en psykosomatisk eksperiment for at fremkalde, måle og indsamle gyldig smerte reaktioner. Deltagerne bliver udsat for smertefulde stimuli, der varierer i intensitet (lav, medium og high), varighed (5 s / 1 min), og modalitet (varme / El smerte) mens audio, video (fx ansigtsudtryk, kroppen fagter, facial hud temperatur), og fysiologiske signaler (f.eks. elektrokardiogram [ECG], hud ledningsevne niveau [SCL], facial Elektromyografi [EMG] og EMG af M. trapezius) bliver registreret. Undersøgelsen består af en kalibrering at bestemme et emne individuelle smerte område (fra lav til uudholdelige smerter) og en stimulering fase i hvilken smerte stimuli, afhængigt af rækken kalibreret anvendes. De opnåede data kan tillade raffinering, forbedre og evaluere automatiske anerkendelse systemer i form af en objektiv smerte vurdering. For yderligere udvikling af sådanne systemer og til at undersøge smerte reaktioner mere detaljeret, yderligere smerte modaliteter som pres, bør kemiske eller kolde smerter indgå i fremtidige undersøgelser. Registrerede data af denne undersøgelse vil blive frigivet som "X-ITE smerte Database".

Introduction

Smerte er en meget personlig og ubehagelige fornemmelse, som opfattes forskelligt af alle. Det varer fra sekunder til måneder og kan variere i sin kvalitet (dunkende, skarpe, brænding, osv.). Hvis behandlet utilstrækkeligt, smerte påvirker kroppens fysiske og psykiske funktioner, reducerer livskvaliteten, og bærer risikoen for at blive en kronisk tilstand. I kliniske pleje er den præcise vurdering af smerte intensitet og kvalitet yderst relevant at give succesfulde pain management1,2. Guldstandarden metoder til vurdering af smerte, såsom den visuelle analoge skalaer (VAS), numerisk rating scale (NRS) eller McGill smerte spørgeskema3, stole på egen rapporter af patienter og dermed kun arbejde tilstrækkeligt med kognitivt og verbalt fejlfri personer. Derfor, alle de etablerede metoderne mangler validitet og pålidelighed, når det kommer til nyfødte4, ellevild, søvndyssende, bedøvet, eller ventilerede patienter5, eller mennesker der lider af demens6,7. Som supplement til eller som et alternativ til selvrapportering skalaer, er metoder til måling af smerte gennem observation af uddannet personale (f.eks. Zürich Observation smerte vurdering8 eller Abbey smerte skala9) blevet udviklet i de seneste år. Ikke desto mindre, selv disse værktøjer lider af begrænsninger i pålidelighed og gyldighed, som selv uddannet raters ikke kan sikre en objektiv vurdering. Desuden er ansøgningen ofte alt for tidskrævende for klinisk personale når smerte vurdering bør ske på en regelmæssig basis.

Flere forskerhold har fokuseret på at udvikle automatiserede smerte anerkende systemer, som giver mulighed for måling af smerter ved hjælp af fysiologiske, visuelle, og/eller paralinguistic signal angiver som nye tilgange til evaluering og overvågning af smerte og dens intensitet objektivt. Tidligere undersøgelser viser lovende resultater med at opdage og differentiere smerter10,11,12,13,16,17,18 eller udslagsgivende smerter fra grundlæggende følelser14,15 baseret udelukkende på en af signalet sætter10,11,12,13,14, 15 samt om en kombination/fusion16,17,19 af sættene. De ovennævnte retningslinjer reagere næsten egenhændigt at stressende stimuli som smerte. Ved hjælp af dem har den fordel, at de ikke kræver en persons evne til at rapportere deres smerte. Sådanne personer vil få stor gavn af en objektiv smerte anerkendelsessystem, der inkorporerer sådanne retningslinjer. Data sæt bestående af fremkaldte smerter reaktioner giver værdifulde oplysninger til at analysere smerte mønstre og udvikle praktiske programmer til at opdage og overvåge smerte. Blandt andre Walter et al.20 oprettede "BioVid varme smerte databasen", en multimodal database, der er offentligt tilgængelige og giver data fra kort tid induceret smertefulde varme stimuli og tilsvarende psykosomatisk og visuelle reaktioner. Databasen"SenseEmotion" af Velana et al.21 omfatter biosignalers, videoer og paralinguistic oplysninger fra frivillige ramt af phasic varme smerte og følelsesmæssige stimuli.

Mens disse databaser er velegnet til at undersøge smerte reaktioner, er de for det meste baseret på en specifik smerte model. Som smerte adskiller sig i sin kvalitet (angiveligt afhængig af modellens smerter) og dens varighed, det også kan afvige i dens fysiologiske, visual, og paralinguistic korrelerer. Til bedst i forfatternes viden findes ingen multimodale undersøgelser eller databaser der kombinerer to eller flere smerter modeller og variere smerte stimuli i intensitet og varighed for at ikke kun registrere smerte mønstre men også skelne mellem smerte kvaliteter.

Denne hvidbog indeholder en protokol om, hvordan man foretage en kompleks psykosomatisk eksperiment for at fremkalde smerte og samtidig optage fysiologiske reaktioner (fx, EKG, EMG af Musculus trapezius, corrugator superciliiog zygomaticus store, SCL) og video (fx ansigtsudtryk, kroppen fagter, facial hud temperatur) og audio data. Deltagerne er stimuleret med kort (phasic) og længere varig (tonic) varme og elektriske smerte stimuli, der varierer i intensitet. En kalibreringsfasen før eksperimentet bestemmer smertegrænser for hvert emne individuelt.

Undersøgelsen sigter mod at indsamle multimodale data for at undersøge smerter (mønstre) med hensyn til intensitet, kvalitet og længde ved hjælp af statistiske metoder, machine learning algoritmer, osv. Derudover er allerede indsamlede data planlagt til at blive offentliggjort til akademisk forskning under navnet "X-ITE (Experimentally jegnduced Thermal og Electrical) smerte Database". Det kan udvide eksisterende databaser, som BioVid varme smerte og SenseEmotion20,21, og bidrage til den videre udvikling, forbedring og evaluering af automatiserede smerte anerkendelse systemer i sager af gyldighed, pålidelighed, og real-time anerkendelse.

Resten af papiret er organiseret på følgende måde. Protokollen beskriver, hvordan smerter udvikling undersøgelse trinvise. Derefter, de repræsentative resultater fremlægge resultaterne af forsøget. Endelig omfatter diskussionen kritiske trin, begrænsninger og fordele af undersøgelse efterfulgt af forslag til fremtidige udvidelser.

Protocol

Undersøgelsen blev udført i overensstemmelse med de etiske retningslinjer fastsat i World Medical Association af Helsinki-erklæringen (etiske udvalg godkendelsen blev udstedt: 196/10-UBB/bal) og godkendt af den etiske komité i Universitet i Ulm ( Helmholtzstraße 20, 89081 Ulm, Tyskland).

1. underlagt rekruttering og udvælgelse

  1. Rekruttere et tilsvarende antal raske mandlige og kvindelige forsøgspersoner mellem 18 og 50 år gennem plakater, uddelingskopier, lokale presse reklamer og sociale medier til at opnå en for det meste generelle prøve. Annoncere den videnskabelige fordel af undersøgelsen og tilbyde en monetær kompensation. Give telefonnummer eller kontakt e-mail-adresse for yderligere information.
    Bemærk: Alders-relaterede effekter i smertefølsomhed er godt rapporterede22 og bør overvejes i udvælgelsen af stikprøver. For at undgå forstyrrende resultater med alder virkninger, vælger vi en yngre gruppe som betragtes af Lautenbacher et al.22.
  2. Udelukke potentielle emner, der opfylder et af følgende kriterier: lider af kroniske smerter, depression eller en historie af psykiatriske lidelser; at have neurologiske tilstande, hovedpine syndrom eller hjerte-kar-sygdom; regelmæssigt at tage smertestillende medicin eller ved hjælp af smertestillende medicin direkte før forsøget.

2. generelle præparater af smerte udvikling eksperiment

Bemærk: Smerte udvikling eksperiment består af to tidsligt successive dele: kalibrering del og den smerte stimulation del. Kalibrering del bestemmer en deltagers individuelle smertetærskel og smerte toleranceniveau i form af termiske og elektriske stimuli. Den smerte stimulation del udfører smerte induktion tilpasses de enkelte tærskler. Hver del af forsøget foregår i et andet rum: kalibrering room og den eksperimentelle værelse. Kalibrering room fungerer også som en overvågning plads til eksperimentatoren under smerter stimulation del (Se fig. 1).

Figure 1
Figur 1 : Skematisk fremstilling af værelse setup. Højre side viser kalibrering/kontrol rummet hvor kalibrering del finder sted. Senere fungerer det også som et signal om overvågning rum under den smerte stimulation del, der følger kalibrering del. Venstre side viser den eksperimentelle værelse hvor smerte stimulation del finder sted. Begge værelser er forbundet af en conduit rør, som thermode, elektroder kabel af den elektriske stimulator og computer ledninger kan være passeret. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Velkommen til ankommende genstand og føre hende/ham til kalibrering room. Informere deltageren i detaljer om 3 h eksperiment og muligheden for opsigelse til enhver tid uden negative konsekvenser. Indhente en skriftlig informeret samtykke til eksperimentet og en skriftlig bekræftelse at ingen af udelukkelse kriterier gælder. Forbered en kvittering og den monetære kompensation.
  2. Bruge CE-mærket Stimulatorer, der giver mulighed for at fremkalde meget kontrolleret termiske og elektriske stimuli. Bruge analog til digital konverteringsprogrammer, der konverterer digitale signaler til at fange de analoge termiske og elektriske stimuli. Tænd termiske og den elektriske stimulator.
  3. Kalibrering og den vigtigste del af forsøget, anvende passende software, som giver mulighed for manuel og/eller automatiske udløsning af termiske og elektriske stimuli. Lancere software i den termiske og elektrisk stimulator. Forberede blyant og papir til at nedskrive stimuli Støtteintensiteter og de tilsvarende pain intensiteter rapporteret af deltageren.
  4. Lad emnet sidde komfortabelt på en stol med en højresidig armlæn. Sted en trykt rating skalaen går fra 0 til 100 i trin af 5 med på den venstre, anker punkt 0/ingen smerter og til højre, ankerpunkt for 100/utålelige smerter foran emnet. Instruere emnet at verbalt Vurder smerteintensiteten af en stimulus straks når bedt om at gøre det, ved hjælp af skalaen forudsat. Præcist forklare, at kun nul betyder "ingen smerter", mens 100 lig en stimulus, der ikke kan tolereres længere.
    Bemærk: I denne undersøgelse, "smerte tolerance" opfattes som intensiteten af en stimulus, som et emne ikke kan bære længere, hvilket betyder her: kan ikke tåle længere. Således er ankerpunkt 100 markeret som utålelige smerter i modsætning til en numerisk rating scale anvendes i klinisk praksis.

3. kalibrering af elektriske smertetærskel og tolerance (del 1 og 2)

Bemærk: Kun én eksperimentatoren bør foretage kalibrering del for at minimere de sociale virkninger på smertefølsomhed. Vælg en eksperimentatoren med samme køn som deltager til at minimere cross-sex effekter på smerte følsomhed23. Del1 bestemmer smertetærskel og tolerance med hensyn til kort (phasic) elektriske stimuli og del 2 i form af længere varig (tonic) elektriske stimuli. Disse værdier danner grundlag for beregning af den phasic og tonic elektriske smerte stimuli anvendes i smerte stimulation del.

  1. Ren deltagerens hud den rigtige indeks og langfinger med alkoholopløsning. Placer en engangs Ag/AgCl-elektrode (hud kontakt størrelse: 34 mm i diameter) på den øverste side af den mellemliggende falanks af højre pegefinger (anode) og en anden på oversiden af den proksimale falanks af de rigtige langfinger (katoden). Elektroderne tilsluttes den elektriske stimulator.
  2. Spørg emne at hvile deres højre arm komfortabelt på armlænet og forsyne dem med instruktioner til følgende procedure.
    Bemærk: Her er et eksempel på hvordan man kan formulere instruktion for elektrisk kalibrering del 1: "du vil opleve korte elektriske stimuli af forskellige intensiteter. Vi starter med en meget lav intensitet. Første, du er forpligtet til at angive den første gang du føler lav smerte. Dette vil være din smertegrænse. For at afgøre denne tærskel, vil jeg starte en elektrisk stimulering, og kort før det ender, jeg vil sige «Nu.» Når dette sker, skal du straks rapportere om stimulus var smertefuldt eller ikke af rating det på en skala fra 0 til 100. Hvis stimulien ikke var smertefulde, bedes du rapportere 'Nul.' Jeg vil derefter gå videre med en øget intensitet. Efter den første gang du rapportere et tal større end nul, jeg vil reducere intensiteten et par niveauer og vi gentager hele proceduren, indtil du angiver et tal større end nul igen. Vi gør dette for at validere "Smertegrænsen". Efter dette, vil jeg langsomt øge intensiteten til det punkt hvor du sats stimulus med 'Hundrede,' hvilket betyder at du ikke kan tåle eller stå smerten længere. Dette vil være din 'smerte toleranceniveau'. Igen, for at godkende denne plan, vil jeg gå tilbage et par niveauer, og vi vil gentage proceduren indtil du rapport '100' for anden gang. Så snart du sige '100', vil jeg straks stoppe stimulus."
  3. Begynde elektrisk kalibrering del 1 ved at starte et incitament på 0,5 mA (400 V) med en varighed på 5 s ved at klikke på knappen start af den elektriske stimulator (software).
    Bemærk: Hver elektrisk stimulering af elektrisk kalibrering del 1 har en varighed af 5 s. Stimulus består af 100 enkelt elektrochok 2 ms varighed, hver fordelt ligeligt over 5 s.
    Forsigtig: Elektrisk kalibrering altid starter med 0,5 mA og har en cutoff på 25 mA for at forhindre bevidstløshed og livstruende situationer.
  4. Sige "Nu" på 4. anden af stimulus. Nedskrive antallet emne rapporter for den tilsvarende stimulus intensitet. Gennemføre en pause på 10 s lang.
  5. Hvis emnet rapporterer nul, øge intensiteten af 0,5 mA, start stimulien, og gå tilbage til trin 3.4. Ellers, reducere intensiteten af 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starter stimulien, og gå tilbage til trin 3.4. Når emnet rapporterer et tal større end nul for anden gang, beregne middelværdien af de to intensiteter svarer til nul, skrive det og markere den som "phasic elektriske smertegrænsen" (pEPTh). Bagefter, du fortsætte med trin 3.6.
  6. Stigning den nuværende intensitet af 0,5 mA og start stimulus.
  7. Sige "Nu" efter 4 s starter stimulus. Nedskrive antallet emne rapporter for den tilsvarende stimulus intensitet. Pause for 10 s.
  8. Hvis emnet rapporter en værdi under 100, øge intensiteten af 0,5 mA, start stimulus og gå tilbage til trin 3.7. Ellers, reducere intensiteten af 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starter stimulien, og gå tilbage til trin 3.7. Når emnet rapporter 100 for anden gang, beregne middelværdien af de to intensiteter svarende til 100, Skriv det ned, og markere den som "phasic elektriske smerte Tolerance" (pEPTo). Fortsæt med trin 3.9.
  9. Informere deltageren om del 2 af den elektriske kalibrering.
    Bemærk: Dette er en mulig instruktion til elektrisk kalibrering del 2: "igen vi er begyndt med en lav intensitet, men denne gang, stimuli vil være længere. Jeg har tænkt mig at sige 'Nu' to gange, lige efter starten og kort før afslutningen af en stimulus. Hver gang jeg siger 'Nu', gjorde du betænkning et nummer som du i den første del. Efter den første gang du rapportere et tal større end nul, jeg vil reducere intensiteten et par niveauer og vi gentager hele proceduren til valideringsformål, indtil du angiver et tal større end nul igen. Efter at vil jeg langsomt øge intensiteten til det punkt hvor du sats stimulus med "Et hundrede." Igen, for at validere denne tærskel, vil jeg gå tilbage et par niveauer, og vi vil gentage proceduren indtil du rapport '100' for anden gang. Så snart du sige '100', vil jeg straks stoppe stimulus."
  10. Begynde elektrisk kalibrering del 2 ved at starte et incitament på 0,5 mA (400 V) med en varighed på 10 s ved at klikke på knappen start af den elektriske stimulator (software).
    Bemærk: Hver elektrisk stimulering af elektrisk kalibrering del 2 har en varighed af 10 s. Stimulus består af 200 enkelt elektriske stød på 2 ms varighed hver, fordelt ligeligt på 10 s.
  11. Sige "Nu" efter 1 s starter stimulus. Nedskrive antallet emne rapporter for den tilsvarende stimulus intensitet. Sige "Nu" 1 s før stimulus ender og igen, nedskrive antallet emnet nu rapporter for den tilsvarende stimulus intensitet. Pause for 10 s.
  12. Hvis begge af fagets rapporter er nul, øge intensiteten af 0,5 mA, start stimulien, og gå tilbage til trin 3.11. Ellers, reducere intensiteten af 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starter stimulien, og gå tilbage til trin 3.11. Når emnet rapporterer et tal større end nul for anden gang, beregne middelværdien af de to intensiteter svarer til nul, skriver det, og markere den som "tonic elektriske smertegrænsen" (tEPTh). Bagefter, du fortsætte med trin 3.13.
  13. Stigning den nuværende intensitet af 0,5 mA og start stimulus.
  14. Sige "Nu" efter 1 s starter stimulus. Nedskrive antallet emne rapporter for den tilsvarende stimulus intensitet. Sige "Nu" 1 s før stimulus ender. Igen, skrive det nummer emnet nu rapporter for den tilsvarende stimulus intensitet. Pause for 10 s.
  15. Hvis begge af fagets rapporter er under 100, øge intensiteten af 0,5 mA, start stimulien, og Gentag trin 3.14\u20123.15. Ellers hvis nogen af fagets rapporter er præcis 100, reducere intensiteten af 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), begynder stimulien, og Gentag trin 3.14\u20123.15. Når emnet rapporter 100 for anden gang, beregner gennemsnittet af to intensiteter svarende til 100, Skriv det ned, og markere den som "tonic elektriske smerte Tolerance" (tEPTo). Fortsæt derefter til trin 3.16.
  16. Afbryde elektroderne fra den elektriske stimulator og fjerne begge Ag/AgCl elektroder fra deltagerens fingre. Rene fingre med alkoholopløsning til at vaske af elektrode gel resterne.

4. kalibrering af termisk smertetærskel og tolerance (del 1 og 2)

Bemærk: Termisk smerte kalibrering er opdelt i to dele. Del1 bestemmer smertetærskel og tolerance med hensyn til kort (phasic) termisk stimuli og del 2 gør det i form af længere varig (tonic) termisk stimuli. Disse værdier tjene som grundlag for beregning af den phasic og tonic termisk smerte stimuli anvendes under den smerte stimulation del.

  1. Anvende en 30 mm x 30 mm thermode på oversiden af fagets højre underarm, omkring 30 mm proksimalt for håndleddet, ved en krog og løkke fastener rem. Spørg emne at hvile deres højre arm komfortabelt på armlænet.
    Bemærk: En thermode er den sonde/del af den termiske stimulator, der er knyttet til fagets hud og inducerer den faktiske termiske stimulus.
  2. Oplyse om om proceduren for den termiske kalibrering del 1.
    Bemærk: En formulering for instruktion for termisk kalibrering del 1 kunne være: "du vil nu opleve korte men konstant termisk stimuli af forskellige intensiteter. Vi starter med en temperatur lige over din kropstemperatur. En termisk stimulus starter og kort før det ender, jeg vil sige «Nu.» Når dette sker, skal du hurtigt rapportere om stimulus var smertefuldt eller ikke af rating det på en skala fra 0 til 100, ligesom du gjorde i elektrisk kalibrering del. Tilsvarende, hvis stimulien ikke var smertefulde, bedes du rapportere 'Nul.' Jeg vil derefter gå videre med en øget intensitet. Der er altid en pause på et par sekunder mellem to stimuli. Kalibrering fase er afsluttet når du rapportere '100' eller den cutoff temperatur er nået."
  3. Begynde termisk kalibrering del 1 ved at starte et incitament på 39 ° C med en varighed på 5 s ved at klikke på knappen start af den termiske stimulator (software).
    Forsigtig: Termisk kalibrering del 1 har en cutoff temperatur på 50 ° C for at undgå forbrændinger af huden.
    Bemærk: Hver termisk stimulus af termisk kalibrering del 1 har en varighed af 5 s.
  4. Sige "Nu" på de 4 sekund af stimulus. Nedskrive intensitet antallet emnet giver for den tilsvarende temperatur. Pause for 10 s.
  5. Hvis en angivelse af emnet er under 100, øge temperaturen 1 ° c, start stimulien, og Gentag trin 4.4\u20124.5. Ellers, hvis indikationen er 100 eller 50 ° C cutoff temperatur er nået, opsige termisk kalibrering del 1 ved at fortsætte til næste trin.
  6. Check de kendte numre og markere den første temperatur med en tilsvarende intensitet tal større end nul som "phasic varme smertegrænsen" (pHPTh). Markere temperatur med angivelse af 100 som "phasic varme smerte Tolerance" (pHPTo).
    Bemærk: Hvis emnet rapporterer et tal under 100 cutoff temperatur (50 ° C), markere 50 ° C som pHPTo.
  7. Informere deltageren om del 2 af den termiske kalibrering.
    Bemærk: Her er en eksemplarisk formulering for instruktion for denne termisk kalibreringsfasen: "vi starter med en temperatur over din kropstemperatur, men denne gang de termiske stimuli vil være længere. Jeg vil sige 'Nu' to gange: lige efter starten og kort før slutter for stimuli. Hver gang jeg siger 'Nu', rapportere du et nummer, der er lig med din smerte oplevelse. Hvis stimulien ikke var smertefulde, bedes du rapportere 'Nul.' Jeg vil derefter gå videre med en øget temperatur. Der er altid en pause på et par sekunder efter hver stimulus. Kalibrering fase er afsluttet når du rapportere '100' eller den cutoff temperatur er nået."
    Forsigtig: Termisk kalibrering del 3 har en cutoff temperatur 49.5 ° c for at undgå forbrændinger af huden, på grund af den længere varighed på stimulus.
  8. Begynde termisk kalibrering del 2 med en stimulus 39 ° c i 10 s længe ved at klikke på knappen start af den termiske stimulator (software).
    Bemærk: Hver termisk stimulus af termisk kalibrering del 2 har en varighed af 10 s.
  9. Sige "Nu" efter 1 s starter stimulus. Nedskrive intensitet antallet emnet rapporter for den tilsvarende temperatur. Sige "Nu" 1 s før stimulus ender. Igen, nedskrive intensitet antallet emnet nu rapporter for den tilsvarende temperatur. Pause for 60 s.
  10. Hvis begge angivelser af emnet er under 100, øge temperaturen 1 ° c (undtagelse: se note nedenfor), begynder den næste stimulus, og Gentag trin 4.16. Ellers, hvis nogen af rapporterne er præcis 100 eller 49.5 ° C cutoff temperatur er nået, opsige termisk kalibrering del 2 ved at fortsætte med følgende trin.
    Bemærk: I denne kalibreringsfasen temperatur trin er: 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.
  11. Check de kendte numre og markere den første temperatur hvor mindst én af de tilsvarende tal er større end nul som "styrkende varme smertegrænsen" (tHPTh). Markere temperatur med en første noterede rapporten fra 100 som "styrkende varme smerte Tolerance" (tHPTo).
    Bemærk: Hvis emnet rapporterer både tal under 100 på cutoff temperaturen (49,5 ° C), markere 49.5 ° C som tHPTo.
  12. Fjerne thermode fra deltagerens underarm. Spørg emne om de har brug for en kort pause og/eller ønsker at bruge de sanitære anlæg. Hvis du vil udføre en check, hvis deltageren er egnet til den smerte stimulation del i form af termisk stimuli, Følg instruktionerne beskrevet i supplerende fil 1.

5. forberedelse af smerte stimulation eksperiment

  1. Adfærd smerte stimulation i et kamera-overvågede, temperatur-kontrolleret og støjsvage eksperimentelle værelse ved siden af kalibrering/kontrol værelse (Se figur 1). Tilslut begge værelser via en kanal pipe (80 mm i diameter).
    Bemærk: Kamera overvågning giver oplysninger om fagets sundhedsstatus og giver mulighed for hurtig indgriben i tilfælde af pludselig bevidstløshed eller kredsløbskollaps.
  2. Oprette en briksen, hvor emnet ligger under eksperimentet. Læg den med den lange side ved siden af en mur i nærheden af conduit rør. Give en pude i hovedet.
  3. Vedhæft et spejl på væggen ved siden af briksen hvor lederen af emnet vil hvile.
  4. Til at opfange fysiologiske data (EKG, 3 x EMG og SCL), bruge lyd, videoer (frontal og side udsigt over ansigtet, facial hud temperatur og en fuld krop Se) og termisk og elektrisk stimulator output under eksperimentet, passende optagelse computere, software og enheder til videooptagelse (en biosignal optager, tre høj opløsning farve kameraer, et termisk kamera og en retningsbestemt mikrofon).
    1. Udvikle en løsning til synkronisering de indspillede modaliteter. Den kan omfatte en hardware udløsning af enheder, en optagelse af trigger signaler af biosignal og audio-optagere, computerur (f.eks. via NTP) og en optagelse af tidsstempler sammen med data-streams, og efterbehandling af de registrerede data vandløb skal kompensere for tidsmæssige forskydninger og ur afdrift.
  5. Installere fuld krop kameraet på en måde, at det indfanger hele kroppen af emnet. Installere den frontale ansigt kamera ca 1 m over hovedet af deltageren. Monter mikrofonen på venstre side og den termiske kamera i højre side, ved siden af frontal ansigt kamera. Vedhæfte side kameraet til loftet. Justere det til et punkt, hvor det kan optage én side af motivets ansigt, samt den modsatte side, afspejles i spejlet (Se figur 2).

Figure 2
Figur 2: skematisk fremstilling af kamera og microphone setup. Frontal ansigt kamera, termiske kamera og mikrofon er oprettet ca. 1 m over hovedet af deltageren. En side kamera fanger begge sider af ansigtet ved hjælp af et spejl. En body kamera monteret på væggen giver mulighed for optagelse af kropsbevægelser. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Bemærk: På grund af en lille eksperimentelle værelse, kombinere en side kamera med et spejl er en meget elegant løsning til fange begge sider af motivets ansigt med et enkelt kamera.

  1. Mangfoldiggøre den grafiske produktion af biosignal optagelse computer til en computerskærm sat op i kalibrering/kontrol rummet.
  2. Konfigurer aktive PC-højttalere i kalibrering/kontrol rummet. Forbinde dem via conduit røret med lydoptagelse computer. Sørg for at høre deltager via mikrofonen i tilfælde af de savn hjælp under eksperimentet.
  3. Passere thermode og elektroder kabel af den elektriske stimulator gennem conduit røret til den eksperimentelle værelse. Læg opløftet akustiske skum i begge sider af conduit røret (eller et lignende materiale, der absorberer lyd).
    Bemærk: Lad den termiske stimulator i kalibrering/kontrol rummet. Det forurener lydsignalet optagelse på grund af regelmæssigt starter sin interne ventilator for at køle.
  4. Indstille optagelse prøveudtagning priser som følger: (a) audio på 44,1 kHz; (b) frontal og side Se kameraer på 25 Hz; (c) fuld krop kamera på 30 Hz; (d) termiske kamera på 120 Hz; (e) SCL, EMG og EKG på 1.000 Hz. gemmer alle indstillinger.
  5. Få et koldt gel pack (100 mm x 100 mm) og sætte det ind i en fryser. Forbered en 200 mm x 200 mm hygiejnisk nonwoven håndklæde eller noget lignende (f.eks. et tyndt papir håndklæde) og en salve.
  6. Beregne 12 individuelle stimulus intensitet, seks til varme og elektriske smerte induktion, som følger: (a) phasic elektrisk smerteintensiteten 3 (pE3) = 90% af pEPTo; b phasic elektrisk smerteintensiteten 2 (pE2) = (pE3 + pEPTh) / 2; (c) phasic elektrisk smerteintensiteten 1 (pE1) = pEPTh; (d) tonic elektriske smerteintensiteten 3 (tE3) = 90% af tEPTo; (e) tonic elektriske smerteintensiteten 2 (tE2) = (tE3 + tEPTh) / 2; f tonic elektriske smerteintensiteten 1 (tE1) = tEPTh; (g) phasic varme smerteintensiteten 3 (pH3) = pHPTo - 0,5 ° C Hvis emnet rapporteret 100 for pHPTo — ellers, pH3 = pHPTo; (h) phasic varme smerteintensiteten 2 (pH2) = (pH3 + pHPTh) / 2; (i) phasic varme smerteintensiteten 1 (pH1) = pHPTh; j tonic varme smerteintensiteten 3 (tH3) = tHPTo - 0,5 ° C Hvis emnet rapporteret 100 for tHPTo — ellers, tH3 = tHPTo; (k) tonic varme smerteintensiteten 2 (tH2) = (tH3 + tHPTh) / 2; (l) tonic varme smerteintensiteten 1 (tH1) = tHPTh.
  7. Angiv værdier for de phasic elektriske (pE1\u2012pE3) og varme pain intensiteter (pH1\u2012pH3) og tonic elektriske (tE1\u2012tE3) og varme pain intensiteter (tH1\u2012tH3) — beregnet i trin 5.11 baseret på kalibreringen udføres ifølge afsnit 3 og 4 — til software i den termiske og elektrisk stimulator. Indstil grundlinjen (ingen smerter) temperaturen til 32 ° C og den temperatur stigning til 8 ° C/s. gemmer alle indstillinger.
  8. Bruge et scripting sprog-baseret computersoftware, der kommunikerer med den termiske og elektriske stimulator. Kontroller, at det giver mulighed for styring og udløser smerte stimuli baseret på en smerte udvikling script.
    Bemærk: En smerte udvikling script udløser randomiseret smerte stimuli og kontrol timing og varighed. I denne undersøgelse giver software i den termisk stimulator mulighed for at forberede en smerte udvikling script. Softwaren udløser termisk stimuli automatisk og sender signaler, når en elektrisk impuls skal udløses. Elektriske stimuli er udløst af et script, tilberedt i en anden software.
  9. Forberede smerte udvikling script (Se figur 3) som følger. Angive antallet af hver phasic stimulus intensitet (pE1, pE2, pE3, pH1, pH2og pH3) til 30 og antallet af hver tonic stimulus intensitet (tE1, tE2, tE3, tH1, tH2og tH3) til 1. Indstil varigheden af hver phasic stimulus til 5 s og varigheden af hver tonic stimulus til 60 s. Randomize rækkefølgen af alle stimuli. Randomisere pauser mellem de phasic stimuli til 8-12 s. sæt pauser efter tonic stimuli til 300 s. gemmer alle indstillinger.
    Bemærk: På grund af længere varighed, antallet af forskellige tonic varme stimuli er indstillet til 1 at undgå forbrændinger af huden. Alle pauser efter tonic stimuli skal være 300 s for at tillade fysiologiske signaler til at vende tilbage til baseline og dermed forurener efterfølgende signaler.

Figure 3
Figur 3: grafiske illustration af smerte stimulation del (A) eksemplarisk smerte udvikling script med randomiseret phasic (blå) og tonic (rød) smerte stimuli. (B) uddrag fra den smerte udvikling skrift ovenfor: tre phasic stimuli med en varighed på 5 sekunder og efterfølgende pauser. Varigheden af pauser varierer mellem 8 og 12 sekunder. (pH1, pH2, pH3 = phasic varme smerte med intensitet 1, 2, 3; tH1, tH2, tH3 = tonic varme smerte med intensitet 1, 2, 3, pE1, pE2, pE3 = phasic elektriske smerte med intensitet 1 , 2, 3; tE1, tE2, tE3 = tonic elektriske smerte med intensitet 1, 2, 3; s = sekunder). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

6. smerter stimulation

  1. Føre deltageren til den eksperimentelle værelse og fortælle dem om den kommende procedure. Forklar opsætningen af eksperimenterende og funktionaliteter af instrumenterne. Oplyse om igen om muligheden for at afbryde forsøget når som helst ved enten at trykke på en medfølgende nødsituation knappen eller beder om at stoppe.
  2. Spørg emne at ligge komfortabelt på briksen. Instruer dem i at holde liggende på ryggen under eksperimentet.
  3. Ren alle hudområder, hvor elektroderne skal knyttes med alkoholopløsning. Fjern alle døde hudceller på overfladen af den venstre kind, bag venstre øre, og over venstre øjenbryn med slibende gel. Reclean disse områder med en alkoholopløsning.
  4. Til måling af SCL, fastgør to pregelled, nonpolarizable Ag/AgCl elektroder på undersiden af den distale phalanx lige indeks og langfinger af Velcro stropper. Sørg for, at stropperne ikke er for stram. De er for stramme, hvis emnet rapporterer en dunkende fornemmelse i deres fingerspidser.
  5. For at registrere EKG, skal du bruge tre pregelled, selvklæbende Ag/AgCl snap elektroder med cirkulær kontaktområder (34 mm i diameter). Placere en elektrode (katoden) på brystet, ca 6 cm under højre kraveben. Placer andet en (anode) på venstre niende og tiende ribben. Vedhæfte den tredje elektrode (jorden/reference) til højre side talje ved siden af skinkeben.
  6. Hvis du vil optage EMG af M. trapezius, også bruge tre pregelled, selvklæbende Ag/AgCl snap elektroder med cirkulær kontaktområder (34 mm i diameter). Placer to elektroder (katode og anode) side om side i trapezius musklen venstre side af halsen. Placer tredje en (reference) nedenfor på den venstre kraveben.
  7. Bruge seks genanvendelige, afskærmet Ag/AgCl elektroder med optagelse diameter 4 mm til at måle EMGs M. corrugator supercilii og M. zygomaticus major. Fylde hulrum af elektroderne med elektrolyt gel.
    1. Vedhæfte elektroderne med dobbeltsidet klæbemiddel kraver som følger: for corrugator supercilii, placere en elektrode (anoden) direkte over venstre øjenbryn, ud for linjen (venstre) glabella. Placer den anden elektrode (katoden) 1 cm lateral til den første.
    2. Vedhæfte en tredje elektrode (reference) til midten af frontal knoglen lige under hårgrænsen. Den zygomaticus store, tegn en imaginær linje fra venstre mundtlige commissure til venstre øreflip. Placere en elektrode (anoden) lidt nedenfor midten af den linje og et andet en (katoden) 1 cm mediale ved siden af. Tillægge den venstre mastoid den tredje elektrode (reference). Tilslut alle elektroder til de tilsvarende indgange på biosignal optagelsesenhed.
  8. Udfør en visuel kontrol ved biosignal optagelse software, hvis alle fysiologiske signaler er af god/fremragende kvalitet. Spørg emne at flytte visse muskler og kontrollere de respektive signal. Justere/forbedre en utilfredsstillende signaler ved passende midler/foranstaltninger.
  9. Placer en Ag/AgCl-elektrode (34 mm i diameter) på den øverste side af den mellemliggende falanks af den venstre pegefinger (anode) og en anden på oversiden af den proksimale falanks af den venstre langfinger (katoden). Fiksere elektroder med medicinsk tape som fag kan svede under proceduren, at reducere klæbeevne af elektroderne. Elektroderne tilsluttes den elektriske stimulator.
  10. Anvende thermode på oversiden af fagets venstre underarm omkring 30 mm proksimalt for håndleddet ved en Velcro rem. Sikre, at remmen ikke snøre huden.
  11. Start alle kameraer. Sikre, at deltageren er aldeles synlig i billederne fra kameraet. Hvis det er nødvendigt, bede emne at justere positionen. Især tager sig af facial kameraer med en lille synsfelt. Ideelt set bør ansigtet i midten af billedet for at reducere risikoen at deltageren flytter hovedet ud af synsfeltet under eksperimentet.
  12. Kontrollere hvis mikrofonen er på og indspilning volume er tilfredsstillende.
  13. Spørg genstand, hvis hun har yderligere spørgsmål, og hvis hun er klar til eksperimentet. Instruere hende at handle helt naturligt og ikke at undertrykke og overdrive ethvert smerte reaktioner under eksperimentet.
  14. Start alle optagelse enheder (kameraer, mikrofon, biosignal recorder) overholder kravene til datasynkronisering.
  15. Afgå den eksperimentelle rum og Indtast kalibrering/kontrol rummet. Vent 5 minutter for at give fysiologiske signaler af emnet til at normalisere. Kør scriptet smerte udvikling.
  16. Nøje overvåge genstand og forløbet af den smerte stimulation del. Nedskrive alle tidsstempler af indlysende usædvanligt/unaturlige opførsel, tekniske problemer eller biosignal artefakter på grund af ekstrem bevægelse, kommer ud af elektroder, osv.
  17. Efter afslutningen af smerte udvikling script, stoppe alle optageenheder. Gem/Eksporter alle data i en foretrukne format. Slukke den termiske og elektriske stimulator.
  18. Kontroller, om deltageren er okay og frigøre alle elektroder og thermode. Ren alle hudområder med alkoholopløsning til at fjerne elektrode gel resterne.
  19. Få den kolde gel pack fra fryseren og pak det ind i hygiejnisk ikke-vævede håndklæde (eller noget lignende, f.eks. tyndt papir håndklæde). Spørge deltageren at anvende det i mindst 5 minutter på det hudområde, hvor thermode var placeret.
  20. Tilbyde emnet mulighed for at få deres individuelle smerte niveauer vist og forklaret.
  21. Anvende salve på det hudområde, hvor thermode var placeret.
    Bemærk: Kolde gel pack og salve bruges til at minimere (et potentiale) rødme og irritation af huden.
  22. Overdrage den monetære kompensation og har det anerkendt med en kvittering. Give kontaktoplysninger i tilfælde af nye spørgsmål. Takke deltageren og sige farvel.
  23. Fjerne den akustiske skum fra begge sider af conduit rør. Passere thermode og elektroder kabel af den elektriske stimulator tilbage til kalibrering/kontrol rummet. Bortskaf alle disponible elektroder, rense alle genanvendelige elektroder af gel rester og rense briksen med en egnet overflade sanitizer. Sættes koldt gel pack tilbage i fryseren.

Representative Results

Smerten opfattes forskelligt af enhver person og kan udtrykke sig forskelligt i ansigtsudtryk, paralinguistic og/eller fysiologiske signaler. Udformningen af denne undersøgelse er egnet til at analysere smerte svar på mange måder med hensyn til de underliggende mål. De opnåede data kan tillade, at besvarelse af forskningsspørgsmål, såsom: er der specifikke smerte respons mønstre? Er de forskellige med hensyn til smerter model og varighed?

134 fag i alt deltog i vores eksperiment. Kønsfordelingen var 50/50. Vi delte dem i de følgende aldersgrupper: 1) 18-29 år (N = 49, 23 mænd, 26 kvinder), 2) 30-39 år (N = 45, 23 mænd, 22 kvinder), 3) 40-50 år (N = 40, 21 mænd, 19 kvinder). Den gennemsnitlige alder for alle fag var 31.4 (SD = 9.7), alle mænd = 33.4 (SD = 9.3) og af alle kvinder = 32,9 (SD = 10.2) år. Undersøgelsen fandt sted på Institut for medicinsk psykologi på universitetet i Ulm, Tyskland.

Hovedresultatet af denne protokol er et datasæt af lyd, video og psykosomatisk signaler afspejler den registreredes reaktioner på smerte stimuli. Tabel 1 giver et generelt overblik på de tekniske funktioner i de registrerede signaler og antallet af inducerede smerte stimuli i undersøgelsen.

Tekniske funktioner
Signal: Samplingfrekvens: Attributter:
Audio 44100 Hz Mono, MP3 320 kbps
Kamera 1 (ansigt, forfra) 25 Hz Farve video: opløsning 1384 x 1032,
HEVC kodet med libx265 (CRF 16, forudindstillede medium)
Kamera 2 (ansigt, sidekig) 25 Hz Farve video: opløsning 1620 x 840,
HEVC kodet med libx265 (CRF 16, forudindstillede medium)
Body kamera ca. 30 Hz Farve video: resolution 1500 x 600,
HEVC kodet med libx265 (CRF 16, forudindstillede medium);
Dybde video: opløsning 500 x 200, tabsfri kodning
Termiske kamera ca. 120,8 Hz Overfladetemperatur video: opløsning 120 x 160,
gråtoneskala MPEG-4-AVC kodet med libx264
(CRF 0, forudindstillede veryfast),
kodede temperaturområde 26,5-52,0 ° C (trin på 0,1)
EKG 1000 Hz Hardware filtreret via BioPac: 35 Hz LP, 0,5 Hz HP,
50 Hz notch filter
SCL 1000 Hz Hardware filtreret via BioPac: 10 Hz LP, ingen HP
ingen notch filter
EMG M. trapezius 1000 Hz Hardware filtreret via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
ingen notch filter
EMG M. corrugator supercilii 1000 Hz Hardware filtreret via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
ingen notch filter
EMG M. zygomaticus store 1000 Hz Hardware filtreret via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
ingen notch filter
Stimuli Termisk Elektriske
Emner: Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s): Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s):
Per emne 90 (30 pr. intensitet) 3 (1 pr. intensitet) 90 (30 pr. intensitet) 3 (1 pr. intensitet)
Alle (N = 134) 12060 (4020 pr. intensitet) 402 (134 pr. intensitet) 12060 (4020 pr. intensitet) 402 (134 pr. intensitet)
Mænd (n = 67) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet)
Kvinder (n = 67) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet)

Tabel 1: tekniske funktioner og antallet af induceret stimuli. Den øverste halvdelen (tekniske funktioner) viser prøveudtagning priser og attributter af de specifikke signaler. Nederst halv (Stimuli) viser antallet af den inducerede specifik (termisk/elektrisk) smertestillende stimuli til ét emne, for alle fag og for hvert køn. (MP3 = Moving Picture eksperter gruppe Layer-3 Audio, kbps = kilobit pr. sekund, HEVC = høj effektivitet Video kodning, CRF = konstant Rate faktor, MPEG-4-AVC = Motion Picture eksperter gruppe lag-4 Video Advanced Video Coding, Hz = Hertz, ° C = grader Celsius, s = sekunder, ECG = elektrokardiogram, SCL = hud ledningsevne niveau, EMG = Elektromyografi, LP = low-pass filter, HP = high-pass filter, M. = Musculus).

Et sekundært resultat vedrørende kalibrering fase af undersøgelsen er præsenteret i tabel 2. Det viser den gennemsnitlige stimulation temperaturer og strømme af pain intensiteter 1 og 3 (som beregnet i trin 5.11 i protokollen) for alle fag og desuden for de mandlige og kvindelige undergruppe.

Stimuli Termisk [i ° C] gennemsnit (SD) Elektriske [i mA] gennemsnit (SD)
Fag pH1 pH3 tH1 tH3 pE1 pE3 tE1 tE3
Alle (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)
Mænd (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)
Kvinder (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)

Tabel 2: betyde stimulation temperaturer og strømme af pain intensiteter 1 og 3. (pH1, pH3 = phasic varme smerte med intensitet 1, 3; tH1, tH3 = tonic varme smerte med intensitet 1, 3, pE1, pE3 = phasic elektriske smerte med intensitet 1, 3; tE1, tE3 = tonic elektriske smerte med intensiteten 1, 3; ° C = grader Celsius; mA = milliampere, SD = standardafvigelse).

Hvis alle trin i protokollen udføres omhyggeligt og ingen tekniske problemer (i form af computer eller optagelse enhed krak, osv.), kan en vellykket resultat ligne afbilledet i figur 4. Alle signaler er af høj kvalitet og påvirket ikke af eksterne kilder til interferens. Deltageren er klart synlig i hvert kamera.

Figure 4
Figur 4 : Eksempeldata fra en vellykket eksperiment. Tallet afbilder indspillet signaler et par sekunder før, under og efter en intens smerte stimulus. Alle signaler er ufiltreret og synkroniseret i tid. Klarhed, er kun repræsentativ screenshots af videosignaler vist her. (EMG = Elektromyografi, SCL = hud ledningsevne niveau, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekunder). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Uventede hændelser kan dog forårsage data at blive støjende eller beskadiget. Udover computer eller optagelse enhed krak, kommer-off af elektroder (især genanvendelige elektroder med lille diameter, som er fastgjort ved hjælp af dobbeltsidet klæbemiddel kraver) for det meste fører til ubrugelig signaler. Som et eksempel for en sub-optimale datasæt viser figur 5 det øjeblik, da en EMG elektrode kommer ud og gør det tilsvarende signal ubrugelig.

Figure 5
Figur 5 : Eksempeldata fra en optimal eksperiment. Den røde cirkel angiver tid, en af EMG elektroder (M. zygomaticus store) faldt af fagets kinden. Dette kunne have været på grund af sved eller hoved bevægelse. Fra dette øjeblik på gik signalet tabt. (EMG = Elektromyografi, SCL = hud ledningsevne niveau, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekunder). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

På grund af etiske retningslinjer havde de maksimumsintensitet, der termisk og elektrisk stimuli skal begrænses. Med hensyn til termisk kalibrering kontrol del (Se supplerende fil), 37 fag (31 mænd, 6 kvinder) nåede den givne cutoff 50,5 ° c (ratio = 37/134 = 27.61%). Med hensyn til termisk kalibrering del 1, 60 deltagere (39 mænd, 21 kvinder) nåede cutoff 50,0 ° c (ratio = 60/134 = 44.78%) og med hensyn til del 2, 57 personer (37 mænd, 20 kvinder) nåede cutoff 49.5 ° c (ratio = 57/134 = 42.54%). Cutoff for både elektrisk kalibrering dele var 25 mA. Ingen af de 134 fag nåede det.

Som vi planlægger at udgive data (se næste afsnit), datasæt af deltagere, der har nået cutoffs vil desuden være markeret og deres subjektive smerte ratings for de tilsvarende cutoffs medtages.

Vi vil gerne påpege, at det vigtigste fokus i protokollen er at opnå multimodale signaler til at analysere termisk og elektrisk smerte. Derfor, ingen andre resultater er diskuteret her. Efter indskrivning og eksklusive datasæt på grund af manglende data eller afviste skriftlige samtykke for at datadeling, vil datasæt af denne undersøgelse stilles til rådighed under navnet "X-ITE smerte Database". Yderligere oplysninger om, hvornår og hvordan du kan få X-ITE smerte DB kan du besøge https://github.com/philippwerner/pain-database-list.

Supplerende fil 1. Venligst klik her for at downloade denne fil.

Discussion

Præsenteres protokollen fokuserer på den eksperimentelle udvikling (varme) og elektriske smerter, mens optagelsen fysiologiske, visuelle og paralinguistic signaler. Denne nye fremgangsmåde, kombinerer to smerte modeller med forskellige stimuli Støtteintensiteter og to forskellige stimuli varigheder (phasic og tonic), tilbyder et bredt perspektiv om psykosomatisk mønstre og udtryk for smerte. Men for realiseringen af denne protokol flere skridt skal tages i betragtning.

Generelt, hvis arbejder med smerter stimuli er det afgørende at sikre, at forsøgspersoners sikkerhed. Alle smerter stimuli er nødt til at være meget kontrolleret og bør kun udføres af erfarne eksperimentatorer.
Desuden, for registrering og indsamling af data pålidelig og høj kvalitet, ordentlig fastgoerelse af anordninger (elektroder), perfekt funktion af enheder til videooptagelse og en problemfri kommunikation mellem computere er stærkt anbefales. Alle kilder af interferenser bør være elimineret eller reduceret til et minimum. For at sikre sammenhængen mellem deltagerne, er det vigtigt at levere standardiserede instruktioner og uforanderlig forsøgsbetingelser.

Ifølge vores erfaring, at finde egnede deltagere, der opfylder alle kriterier og er villige til at modtage mange smertefulde stimuli, tager lang tid og er ganske udfordrende. Endvidere, at har den monetære erstatning at være høj nok til at tiltrække emner at studere. Især personer mellem 30 og 50 år er svære at finde. Dette kan være fordi eksperimentet er alt for længe (ca. 4 timer, herunder ankomst- og afrejsedagen), og de er nødt til at tage en halv dag fri fra arbejde.

Da sikkerheden for deltagerne er af højeste prioritet, kan smerte induktion skal begrænses. På grund af etiske retningslinjer, skal stimulus intensitet ikke overstiger bestemte niveauer for at undgå forbrændinger og bevidstløshed i form af termisk og elektrisk smerte induktion, henholdsvis. En generel cutoff af intensiteter kan resultere i en loft effekt som nogle emner kan nå intensitet grænser før følelse utålelige smerter. I denne undersøgelse nåede ca 42% (betragtning af termisk kalibrering del 1 og 2) af deltagerne de termiske cutoffs (Se repræsentative resultater). Da de ikke nåede deres "rigtige" smerte tolerancer, deres fysiologiske reaktioner på de højeste termisk stimuli kan opføre sig anderledes i modsætning til fysiologiske reaktioner i fag, der nåede dem. Hvis ja, kunne blande disse to grupper påvirke klassificering resultater i form af smerter anerkendelse.

Et vigtigt punkt at adressen er smerte modaliteter i dette eksperiment. Deltagerne udsættes kun for termisk og elektrisk smerte stimuli (skyldes det, at disse er meget kontrollerbar i en eksperimentel indstilling). Således, hvis behandlingen smerte mønstre med hensyn til kvalitet, resultater kan ikke oversætte til andre smerte modaliteter som pres, kemiske eller visceral smerte.
Den samme overvejelse på overførbarhed af resultater gælder for eksemplet undersøgelse. Protokollen er etisk begrænset til raske voksne. Det omfatter for eksempel ikke børn eller kognitivt og verbalt for synshæmmede personer. Desuden, i vores undersøgelse kun europæiske mennesker deltog. Også her, kan analytiske resultater ikke gælder for grupper ikke betragtes i dette eksperiment.

En anden begrænsning kan vedrøre Hawthorne effekten24: emnerne, der er klar over, at de bliver filmet/observeret i undersøgelsen. Dette kan ændre deres adfærd.

I forhold til eksisterende databaser, smerte, protokollen giver betydelige fordele til at analysere smerte respons mønstre, da det kombinerer to smerte modeller og to gang kurser (phasic og tonic): Udover den intensitet og varighed af smerter, mener det også kvaliteten af smerte. Som termisk smerter er beskrevet forskelligt end elektriske smerter (fx brændende vs skarpe), det kan også være forskellige i smerte reaktioner. I så fald kunne disse konstateringer link en smerte svar mønster til den underliggende kilde til smerte. Undersøgelsen er endvidere multimodale at udvide rækken af smerte undersøgelse muligheder: beskæftiger 5 psykosomatisk signaler, 2 ansigt (forsiden) kamera signaler, 1 krop Se kamera signal, 1 termiske kamera og 1 lyd signal, smerter kan analyseres og vurderet mere præcist.

For en mere kompleks undersøgelse af smerte respons mønstre, skal fremtidige udvidelser af denne metode omfatte flere biosignalers såsom electroencefalografi (EEG), kropstemperatur og respiration. Det ville også være til stor gavn at anvende kontrollerede pres som et yderligere smerte-model. Forskere med henblik på automatisk smerte anerkendelse via data indsamlet fra denne protokol bør yderligere teste lovende maskinen Læringsmodeller med klinisk kontrolgrupper.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Verena Friedrich, Maria Velana, Sandra Gebhardt, Romy Bärwaldt og Tina Daucher for deres værdifulde hjælp i at gennemføre undersøgelsen. Derudover går en særlig tak ud til Dr. Stefanie Rukavina for hendes videnskabelig støtte. Denne forskning blev en del af DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) "Avancement og systematisk validering af en automatiseret smerte anerkendelse på den grundlag af ansigts udtryk og Psychobiological systemparametre" projekt, finansieret af den tyske forskning Foundation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Kehlet, H. Acute pain control and accelerated postoperative surgical recovery. Surgical Clinics. 79, 431-443 (1999).
  3. McQuay, H., Moore, A., Justins, D. Treating acute pain in hospital. British Medical Journal. 314, (7093), 1531-1535 (1997).
  4. 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).
  5. Basler, H. D., Bloem, R., Casser, H. R., et al. Ein strukturiertes Schmerzinterview für geriatrische Patienten. Schmerz. 15, 164-171 (2001).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Handel, E., Gnass, I. Praxishandbuch ZOPA : Schmerzeinschätzung bei Patienten mit kognitiven und/oder Bewusstseinsbeeinträchtigungen. Huber. Bern. (2010).
  9. 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).
  10. Gruss, S., et al. Pain intensity recognition rates via biopotential feature patterns with support vector machines. PLoS ONE. 10, 1-14 (2015).
  11. Walter, S., et al. Automatic pain quantification using autonomic parameters. Psychology & Neuroscience. 7, (3), 363 (2014).
  12. Werner, P., et al. Automatic pain assessment with facial activity descriptors. IEEE Transactions on Affective Computing. 8, (3), 286-299 (2017).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Hammal, Z., Kunz, M. Pain monitoring: A dynamic and context-sensitive system. Pattern Recognition. 45, (4), 1265-1280 (2012).
  16. Werner, P., et al. Automatic pain recognition from video and biomedical signals. Pattern Recognition (ICPR), 22nd International Conference on Pattern Recognition. 4582-4587 (2014).
  17. Walter, S. Diagnostik der Schmerzintensität, basierend auf multimodalen Signalen und maschinellen Lernen. Habilitationsschrift. (2017).
  18. Chu, Y., Zhao, X., Han, J., Su, Y. Physiological Signal-Based Method for Measurement of Pain Intensity. Frontiers in aneuroscience. 11, (2017).
  19. Kächele, M., et al. Multimodal data fusion for person-independent, continuous estimation of pain intensity. Engineering Applications of Neural Networks. 275-285 (2015).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Kállai, I., Barke, A., Voss, U. The effects of experimenter characteristics on pain reports in women and men. Pain. 112, (1), 142-147 (2004).
  24. 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).
Multimodale signaler til at analysere smerte reaktioner på termiske og elektriske Stimuli
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gruss, S., Geiger, M., Werner, P., Wilhelm, O., Traue, H. C., Al-Hamadi, A., Walter, S. Multi-Modal Signals for Analyzing Pain Responses to Thermal and Electrical Stimuli. J. Vis. Exp. (146), e59057, doi:10.3791/59057 (2019).More

Gruss, S., Geiger, M., Werner, P., Wilhelm, O., Traue, H. C., Al-Hamadi, A., Walter, S. Multi-Modal Signals for Analyzing Pain Responses to Thermal and Electrical Stimuli. J. Vis. Exp. (146), e59057, doi:10.3791/59057 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter