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.
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”.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |