Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Multimodal signaler for å analysere smerte svar på termisk og elektriske Stimuli

doi: 10.3791/59057 Published: April 5, 2019

Summary

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.

Abstract

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".

Introduction

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.

Protocol

Studien ble gjennomført i samsvar med etiske retningslinjer fastsatt i den verden Medical Association Declaration i Helsinki (etisk komité godkjenning ble gitt: 196/10-UBB/bal) og godkjent av den etiske komiteen av universitetet Ulm ( Helmholtzstraße 20, 89081 Ulm, Tyskland).

1. underlagt rekruttering og utvelgelse

  1. Rekruttere like mange av sunn kvinnelige og mannlige mellom 18 og 50 år gjennom plakater, brosjyrer, lokalpressen annonser og sosiale medier for å oppnå en hovedsakelig generell prøve. Annonsere vitenskapelige fordelen av studien, og tilbyr en monetær kompensasjon. Angi telefonnummeret eller kontakt e-postadresse for mer informasjon.
    Merk: Alder-relaterte effekter i sensitivitet for smerte er også rapportert22 og bør vurderes i prøven utvalget. For å unngå confounding resultatene med alder effekter, velger vi en yngre gruppe som vurdert av Lautenbacher et al.22.
  2. Utelukke potensielle fag som oppfyller alle de følgende kriteriene: lider av kronisk smerte, depresjon eller en historie med psykiske lidelser; har nevrologiske lidelser, hodepine syndrom eller hjerte sykdom; regelmessig tar smertestillende medikamenter eller bruker smertestillende direkte før eksperimentet.

2. generelle forberedelser av smerte elicitation eksperimentet

Merk: Smerte elicitation eksperimentet består av to tidsmessig påfølgende deler: delen kalibrering og smerte stimulering del. Delen kalibrering bestemmer en deltakers personlige smerte Grenseverdi og toleranse smertene i termisk og elektriske stimuli. Den smerte stimulering delen utfører smerte induksjon tilpasset individuelle grensene. Hver del av eksperimentet foregår i et annet rom: kalibrering rommet og eksperimentelle rommet. Kalibrering rommet også fungerer som en overvåking rom for eksperimentator under smerte stimulering (se figur 1).

Figure 1
Figur 1 : Skjematisk fremstilling av rommets. Til høyre vises kalibrering/overvåking rommet hvor den kalibrering delen foregår. Senere fungerer det også som et signal overvåke rom under den smerte stimulering delen, som følger delen kalibrering. Den venstre siden viser eksperimentelle rommet hvor den smerte stimulering delen foregår. Begge rommene er forbundet med en kanal pipe, som thermode, elektrodene kabel elektro stimulator og datamaskinen ledninger kan sendes via. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Velkommen ankomst emnet og føre henne/ham til kalibrering rommet. Informere deltakerne i detalj om 3t eksperimentet og muligheten for oppsigelse uten noen negative konsekvenser. Få en skriftlig samtykke for eksperimentet og en skriftlig bekreftelse på at ingen av utelukkelse kriteriene gjelder. Forbered en kvittering og monetær kompensasjon.
  2. Bruk CE-merket stimulators som tillater inducing kontrollerte termisk og elektriske stimuli. Bruk analog-til-digital-omformere som konverterer analoge termisk og elektriske stimuli signaler til fange. Slå på termisk og til elektro stimulator.
  3. For kalibreringen og hoveddelen av eksperimentet, kan du bruke riktig programvare, som gjør manuelle og/eller automatisk følge av termisk og elektriske stimuli. Start programvaren av termisk og elektro stimulator. Forberede blyant og papir å skrive ned stimuli intensitet og tilsvarende smerte intensiteten rapportert av deltakeren.
  4. La emnet sitter komfortabelt på en stol med en høyre-sidig armlener. Plasser en trykt vurderingsskala går fra 0 til 100 i trinn 5 med, på venstre, anchor point 0/nei smerte og til høyre, ankeret peker 100/uutholdelig smerte foran emnet. Instruere emnet verbalt vurdere smerter intensiteten av en stimulus umiddelbart når anmodet å gjøre så, ved å bruke skalaen gitt. Nøyaktig Forklar at bare null betyr "ingen smerte" mens 100 er lik en stimulans som ikke kan tolereres lenger.
    Merk: I denne studien "smerte toleranse" forstås som intensiteten av en stimulans som et emne ikke lenger, betydning her: kan ikke tolerere lenger. Dermed merkes Forankringspunktet 100 som utålelig smerte i motsetning til en numerisk rating skala brukt i klinisk praksis.

3. kalibrering av elektriske smerte Grenseverdi og toleranse (del 1 og 2)

Merk: Bare én eksperimentator bør gjennomføre kalibrering for å redusere sosiale effekten på sensitivitet for smerte. Velg kjent med samme kjønn som deltaker å minimere cross-sex effekter på smerte følsomhet23. Del 1 bestemmer smerte Grenseverdi og toleranse i kort (phasic) elektrisk stimuli og del 2 i lengre varig (tonic) elektrisk stimuli. Disse verdiene tjene som et grunnlag for beregning av phasic og tonic elektrisk smerte stimuli brukt i smerte stimulering del.

  1. Rengjør deltakerens huden av den riktige indeksen og langfingeren med alkohol-løsning. Plasserer en engangs Ag/AgCl elektrode (hud kontakt størrelse: 34 mm i diameter) på oversiden av den mellomliggende falanksen rette pekefingeren (anode) og en på oversiden av den proksimale falanksen av høyre langfingeren (katode). Koble til elektrodene til til elektro stimulator.
  2. Spør gjenstand for hvile deres høyre arm godt på armrest og gi dem instruksjoner for fremgangsmåten.
    Merk: Her er et eksempel på hvordan å formulere instruksjon for elektriske kalibrering del 1: "du skal oppleve kort elektrisk stimuli av forskjellige intensiteter. Vi starter med en svært lav intensitet. Først, er du må angi første gang du føler lav smerte. Dette vil være din smerteterskel. For å finne denne terskelen, jeg vil starte en elektrisk stimulans, og like før det ender, jeg skal si "Nå." Når dette skjer, bør du umiddelbart rapportere om stimulans var smertefullt eller ikke ved vurdering det på en skala fra null til hundre. Hvis stimulans ikke var smertefullt, vennligst rapport "Null." Jeg vil deretter gå videre med en økt intensitet. Etter første gang du rapporterer et tall større enn null, jeg vil redusere intensiteten noen nivåer og vi gjenta hele fremgangsmåten til du angir et tall større enn null igjen. Vi gjør dette for å validere "Smerte terskelen". Etter at øke jeg gradvis intensiteten til et punkt der du satsen stimulans med "Hundre," betyr at du ikke kan tolerere eller stå smerten lenger. Dette vil være din "smerte toleransenivå". Igjen, for å validere dette nivået, vil jeg gå tilbake noen nivåer og vi vil gjenta prosedyren til du rapporterer "Hundre" for andre gang. Så snart du sier 'Hundre', vil jeg umiddelbart stoppe stimulans."
  3. Starte elektrisk kalibrering del 1 ved å starte en stimulans på 0,5 mA (400 V) med en varighet på 5 s ved å klikke start -knappen på til elektro stimulator (programvare).
    Merk: Hver elektrisk stimulans av elektriske kalibrering del 1 har en varighet på 5 s. Stimulans består av 100 enkelt electroshocks 2 ms varighet, hver fordelt likt over 5 s.
    Advarsel: Elektrisk kalibreringen alltid starter med 0,5 mA og har en cutoff på 25 mA for å hindre bevisstløshet og livstruende situasjoner.
  4. Si "Nå" på 4 andre av stimulus. Skriv ned nummeret emnet rapportene for tilsvarende stimulans intensiteten. Gjennomføre en pause 10 s lang.
  5. Hvis emnet rapporterer null, øke intensiteten av 0,5 mA, start stimulans og gå tilbake til trinn 3.4. Ellers redusere intensiteten av 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), start stimulans og gå tilbake til trinn 3.4. Når emnet rapporterer et tall større enn null for andre gang, beregne gjennomsnittet av de to intensiteter tilsvarer null, skrive det ned og merke den som "phasic elektriske smerteterskel" (pEPTh). Deretter fortsetter du med trinn 3.6.
  6. Øker gjeldende intensiteten av 0,5 mA og start stimulans.
  7. Si "Nå" etter 4 s starter stimulans. Skriv ned nummeret emnet rapportene for tilsvarende stimulans intensiteten. Pause for 10 s.
  8. Hvis emnet rapporterer en verdi under 100, øke intensiteten av 0,5 mA, start stimulans og gå tilbake til trinn 3.7. Ellers redusere intensiteten av 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), start stimulans og gå tilbake til trinn 3.7. Når emnet rapporterer 100 for andre gang, beregne gjennomsnittet av de to intensiteter tilsvarer 100, skrive det ned og merke den som "phasic elektriske smerte toleranse" (pEPTo). Fortsett med trinn 3.9.
  9. Informere deltakerne om del 2 av elektriske kalibreringen.
    Merk: Dette er en mulig instruksjon for elektriske kalibrering del 2: "igjen vi starter med en lav intensitet, men denne gangen stimuli vil bli lenger. Jeg skal si "Nå" to ganger, rett etter begynnelsen og like før avslutningen av en stimulans. Hver gang jeg si "Nå," du rapporterer et nummer som du gjorde i den første delen. Etter første gang du rapporterer et tall større enn null, jeg vil redusere intensiteten noen nivåer og vi gjenta hele fremgangsmåten for kontrollhensyn, før du angir et tall større enn null igjen. Etter at øke jeg gradvis intensiteten til et punkt der du rangere stimulans med "Hundre." Igjen, for å validere denne terskelen, vil jeg gå tilbake noen nivåer og vi vil gjenta prosedyren til du rapporterer "Hundre" for andre gang. Så snart du sier 'Hundre', vil jeg umiddelbart stoppe stimulans."
  10. Starte elektrisk kalibrering del 2 ved å starte en stimulans på 0,5 mA (400 V) med en varighet 10 s ved å klikke start -knappen på til elektro stimulator (programvare).
    Merk: Hver elektrisk stimulans av elektriske kalibrering 2 har varighet 10 s. Stimulans består av 200 enkelt elektrisk støt på 2 ms varighet hver, fordelt likt over 10 s.
  11. Si "Nå" etter 1 s starter stimulans. Skriv ned nummeret emnet rapportene for tilsvarende stimulans intensiteten. Si "Nå" 1 før den stimulans ender og, igjen, skriv ned nummeret emnet nå rapporter for tilsvarende stimulans intensiteten. Pause for 10 s.
  12. Hvis begge fagets rapporter er null, øke intensiteten av 0,5 mA, start stimulans og gå tilbake til trinn 3.11. Ellers redusere intensiteten av 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), start stimulans og gå tilbake til trinn 3.11. Når emnet rapporterer et tall større enn null for andre gang, beregne gjennomsnittet av de to intensiteter tilsvarer null, skrive det ned og merke den som "tonic elektrisk smerteterskel" (tEPTh). Deretter fortsetter du med trinn 3,13.
  13. Øker gjeldende intensiteten av 0,5 mA og start stimulans.
  14. Si "Nå" etter 1 s starter stimulans. Skriv ned nummeret emnet rapportene for tilsvarende stimulans intensiteten. Si "Nå" 1 s før stimulans avsluttes. Igjen, skriv ned nummeret emnet nå rapporter for tilsvarende stimulans intensiteten. Pause for 10 s.
  15. Hvis begge fagets rapporter er under 100, øke intensiteten av 0,5 mA, start stimulans og gjenta trinn 3.14\u20123.15. Ellers hvis noen av emnet rapporter nøyaktig 100, redusere intensiteten av 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), start stimulans, og gjenta trinn 3.14\u20123.15. Når emnet rapporterer 100 for andre gang, beregner gjennomsnittet av to intensiteter tilsvarer 100, skrive det ned og merke den som "tonic elektrisk smerte toleranse" (tEPTo). Fortsett deretter med trinn 3.16.
  16. Koble elektrodene fra til elektro stimulator og fjerne begge Ag/AgCl elektroder fra deltakerens fingre. Rengjør fingrene med alkohol-løsning for å vaske av elektroden gel restene.

4. kalibrering av termisk smerte Grenseverdi og toleranse (del 1 og 2)

Merk: Termisk smerte kalibreringen er delt i to deler. Del 1 bestemmer smerte Grenseverdi og toleranse i kort (phasic) termisk stimuli og del 2 gjør det i forhold til lengre varig (tonic) termisk stimuli. Disse verdiene tjene som grunnlag for beregning av phasic og tonic termisk smerte stimuli brukes under delen smerte stimulering.

  1. Bruke en 30 x 30 mm thermode på oversiden av motivets høyre underarm, omtrent 30 mm proksimale til håndleddet, ved en krok og loop lås stropp. Spør gjenstand å hvile deres høyre arm komfortabelt på armrest.
    Merk: En thermode er sonde/del av termisk stimulator som er knyttet til fagets huden og induserer faktiske termisk stimulans.
  2. Informere emnet om prosedyren for termisk kalibrering del 1.
    Merk: En formulering for instruksjon for termisk kalibrering del 1 kan være: "du skal nå oppleve kort men konstant termisk stimuli av forskjellige intensiteter. Vi starter med en temperatur like over kroppstemperaturen. En termisk stimulans starter og kort tid før det ender, vil jeg si "Nå." Når dette skjer, bør du raskt rapportere om stimulans var smertefullt eller ikke av vurdering det på en skala fra null til hundre, som du gjorde i den elektriske kalibrering delen. Tilsvarende, hvis stimulans ikke var smertefullt, vennligst rapport "Null." Jeg vil deretter gå videre med en økt intensitet. Det er alltid en pause i et par sekunder mellom to stimuli. Kalibreringsfasen er ferdig når du rapporterer 'Hundre' eller cutoff temperaturen er nådd.»
  3. Starte termisk kalibrering del 1 ved å starte en stimulans 39 ° c med en varighet på 5 s ved å klikke start av termisk stimulator (programvare).
    FORSIKTIG: Termisk kalibrering del 1 har en cutoff temperatur på 50 ° C for å hindre hud brannsår.
    Merk: Hver termisk stimulans av termisk kalibrering del 1 har en varighet på 5 s.
  4. Si "Nå" på 4 andre av stimulus. Skriv ned hvor intensiteten emnet gir for tilsvarende temperaturen. Pause for 10 s.
  5. Hvis indikasjon på emnet er under 100, øke temperaturen med 1 ° C, start stimulans, og gjenta trinn 4.4\u20124.5. Ellers hvis indikasjon er 100 eller 50 ° C cutoff temperaturen er nådd, avslutte termisk kalibrering del 1 av fortsetter med neste trinn.
  6. Sjekk bemerket tallene og merke første temperaturen tilsvarende intensiteten flere større enn null som "phasic varme smerteterskel" (pHPTh). Merke temperaturen med en indikasjon på 100 som "phasic varme smerte toleranse" (pHPTo).
    Merk: Hvis emnet rapporterer et tall under 100 ved cutoff temperatur (50 ° C), markere 50 ° C som pHPTo.
  7. Informere deltakerne om del 2 av termisk kalibreringen.
    Merk: Her er en eksemplarisk formulering for instruksjon for denne termisk kalibreringsfasen: "vi starter med en temperatur over din kroppstemperatur, men denne gangen termisk stimuli vil bli lenger. Jeg vil si 'Nå' to ganger: rett etter begynnelsen og like før slutten av stimuli. Hver gang jeg si "Nå", rapporterer du et tall som tilsvarer smertene dine erfaringer. Hvis stimulans ikke var smertefullt, vennligst rapport "Null." Jeg vil deretter gå videre med en økt temperatur. Det er alltid en pause i noen få sekunder etter hver stimulans. Kalibreringsfasen er ferdig når du rapporterer 'Hundre' eller cutoff temperaturen er nådd.»
    FORSIKTIG: Termisk kalibrering del 3 har en cutoff temperatur på 49,5 ° C for å hindre hud brannsår, på grunn av lengre stimulans varigheten.
  8. Starte termisk kalibrering del 2 med en stimulans 39 ° c for 10 s lenge ved å klikke start av termisk stimulator (programvare).
    Merk: Hver termisk stimulans av termisk kalibrering 2 har varighet 10 s.
  9. Si "Nå" etter 1 s starter stimulans. Skriv ned hvor intensiteten emnet rapporter for tilsvarende temperaturen. Si "Nå" 1 s før stimulans avsluttes. Igjen, skriv ned hvor intensiteten emnet nå rapporter for tilsvarende temperaturen. Pause for 60 s.
  10. Hvis begge indikasjoner på emnet er under 100, øke temperaturen med 1 ° C (unntak: se merknaden nedenfor), starter neste stimulans og gjentar trinn 4,16. Ellers, hvis noen av rapportene er akkurat 100 eller 49,5 ° C cutoff temperaturen er nådd, avslutte termisk kalibrering del 2 av følgende trinn.
    Merk: I denne kalibreringsfasen, temperatur trinnene 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. Sjekk bemerket tallene og merke første temperaturen som minst én av de tilsvarende tall er større enn null som "tonic varme smerteterskel" (tHPTh). Merke temperaturen med en første bemerket rapport 100 som "tonic varme smerte toleranse" (tHPTo).
    Merk: Hvis emnet både tall under 100 ved cutoff temperatur (49,5 ° C), merke 49,5 ° C som tHPTo.
  12. Fjerne thermode fra deltakerens underarmen. Spør emnet om de trenger en pause og/eller ønsker å bruke funksjonen sanitæranlegg. For å utføre en sjekk hvis deltakeren er egnet for smerte stimulering del i termisk stimuli, følg instruksjonene som er beskrevet i supplerende fil 1.

5. forberedelse av smerte stimulering eksperimentet

  1. Atferd smerte stimulering i et kamera-overvåket, temperaturkontrollert og lav støy eksperimentelle rom ved kalibrering/overvåking rom (se figur 1). Koble begge rommene via en kanal pipe (80 mm i diameter).
    Merk: Kameraet overvåking gir informasjon om emnet helsetilstand og tillater rask utrykning ved plutselig bevisstløshet eller sirkulasjons kollaps.
  2. Sette opp en undersøkelse sofaen som emnet ligger under eksperimentet. Plass det med langsiden ved siden av en mur i nærheten vannledningen røret. Gi en pute for hodet.
  3. Knytte et speil på veggen ved eksamen sofaen hvor leder av emnet vil hvile.
  4. For å fange fysiologiske data (ECG, 3 x EMG og SCL), bruker lyd, videoer (front og side utsikt over ansiktet, ansiktshuden temperaturen og en full body visning) og termisk og elektro stimulator utganger under eksperimentet riktig opptak datamaskiner, programvare og innspillingsenheter (en biosignal opptaker, tre høyoppløselig farge kamera, et termisk kamera og en retningsbestemt mikrofon).
    1. Utvikle en løsning for å synkronisere de innspilte modalitetene. Det kan omfatte en hardware utløser enheter, en innspilling av utløse signaler av biosignal og lyd opptakere, datamaskinklokker (f.eks via NTP) og en innspilling av tidsstempler sammen med datastrømmer, og postprosessering av de innspilte dataene strømmer å kompensere for timelige forskyvninger og klokke drift.
  5. Installere hele kroppen-kamera på en måte at den fanger opp hele kroppen av faget. Installere ansikt fotografert rett forfra visning kameraet ca. 1 meter over hodet til deltakeren. Montere mikrofonen på venstre side og termisk kameraet på høyre side, ansikt fotografert rett forfra kameraet. Feste side visning kameraet til taket. Justere den til et punkt der det er kjøpedyktig fortegnelse en side av motivets ansikt og motsatt side reflekteres i speilet (se figur 2).

Figure 2
Figur 2: skjematisk fremstilling av kamera og mikrofon. Ansikt fotografert rett forfra kameraet, termisk kamera og mikrofon er satt opp ca. 1 meter over hodet til deltakeren. En side-visning kameraet fanger begge sider av ansiktet ved hjelp av et speil. En kropp-kamera montert på veggen gir innspillingen av kroppens bevegelser. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Merk: På grunn av en eksperimentell rom. kombinerer en side visning kamera med speil er en svært elegant løsning å fange begge sider av motivets ansikt med bare ett kamera.

  1. Dupliserte grafisk produksjon av biosignal innspillingen datamaskinen til en datamaskinskjerm satt opp i rommet kalibrering/overvåking.
  2. Sett opp aktive PC høyttalere på kalibrering/overvåking rommet. Koble dem via vannledningen røret med innspilling av lyd-datamaskinen. Pass på å høre deltakeren via mikrofonen i tilfelle de trenger hjelp under eksperimentet.
  3. Passere thermode og elektrodene kabelen til til elektro stimulator gjennom vannledningen røret til eksperimentelle rommet. Sette rullet opp akustisk skum i begge sider av vannledningen røret (eller et lignende materiale som absorberer lyd).
    Merk: La termisk stimulator rommets kalibrering/overvåking. Forurenser lydsignalet opptak på grunn av regelmessig starter sin interne ventilator for å kjøle.
  4. Angi samplingsfrekvenser innspilling som følger: (a) lyd på 44,1 kHz; (b) frontal og Vis kameraer på 25 Hz; (c) hele kroppen kamera på 30 Hz; (d) termisk kamera på 120 Hz; (e) SCL og EMG EKG på 1000 Hz. lagre alle innstillingene.
  5. Få en kald Gelpack (100 mm x 100 mm) og putte den i en fryser. Forberede en 200 x 200 mm hygienisk nonwoven håndkle eller noe lignende (f.eks tynt papir håndklær) og en salve.
  6. Beregne 12 personlige stimulans intensitet, seks for varme og elektrisk smerte induksjon, som følger: (a) phasic elektriske smerte intensitet 3 (pE3) = 90% av pEPTo; (b) phasic elektriske smerte intensitet 2 (pE2) = (pE3 + pEPTh) / 2; (c) phasic elektriske smerte intensitet 1 (pE1) = pEPTh; (d) tonic elektrisk smerte intensitet 3 (tE3) = 90% av tEPTo; (e) tonic elektrisk smerte intensitet 2 (tE2) = (tE3 + tEPTh) / 2; (f) tonic elektrisk smerte intensitet 1 (tE1) = tEPTh; (g) phasic varme smerte intensitet 3 (pH3) = pHPTo - 0,5 ° C om emnet rapportert 100 for pHPTo-ellers, pH3 = pHPTo; (h) phasic varme smerte intensitet 2 (pH2) = (pH3 + pHPTh) / 2; (i) phasic varme smerte intensitet 1 (pH1) = pHPTh; (j) tonic varme smerte intensitet 3 (tH3) = tHPTo - 0,5 ° C om emnet rapportert 100 for tHPTo-ellers, tH3 = tHPTo; (k) tonic varme smerte intensitet 2 (tH2) = (tH3 + tHPTh) / 2; (l) tonic varme smerte intensitet 1 (tH1) = tHPTh.
  7. Angi verdiene i den phasic elektriske (pE1\u2012pE3) og varme smerte intensiteter (pH1\u2012pH3) og tonic elektrisk (tE1\u2012tE3) og varme smerte intensiteter (tH1\u2012tH3)- beregnet i trinn 5.11 basert på kalibrering utført per avsnitt 3 og 4-inn i programvaren til termisk og elektro stimulator. Angitt grunnlinjetemperatur (ingen smerte) til 32 ° C og temperatur veksten til 8 ° C/s. lagrer alle innstillinger.
  8. Bruk en scripting språk-basert programvare, som kommuniserer med termisk og elektro stimulator. Kontroller at det gir for å kontrollere og utløser smerte stimuli basert på en smerte elicitation script.
    Merk: En smerte elicitation skriptet utløser randomisert smerte stimuli og kontrollene timing og varighet. I denne studien gir programvaren til termisk stimulator muligheten for å forberede et smerte elicitation skript. Programvaren utløser termisk stimuli automatisk og sender signaler når en elektrisk stimulans skal utløses. Elektrisk stimuli utløses av et skript i en andre programvare.
  9. Forberede smerte elicitation skriptet (se fig. 3) som følger. Angi antall hver phasic stimulans intensitet (pE1, pE2, pE3, pH1, pH2og pH3) 30 og antall hver tonic stimulans intensitet (tE1, tE2, tE3, tH1, tH2og tH3) til 1. Still inn varigheten for hver phasic stimulans til 5 s og varigheten av hver tonic stimulans til 60 s. tilfeldig rekkefølge alle stimuli. Tilfeldig pauser mellom phasic stimuli til 8-12 s. sett pauser etter tonic stimuli til 300 s. lagrer alle innstillinger.
    Merk: På grunn av lengre varighet, antall forskjellige tonic varme stimuli er satt til 1 å unngå hud brannsår. Alle pauser etter tonic stimuli må være 300 s slik at fysiologiske signaler gå tilbake til opprinnelig, og dermed ikke forurense påfølgende signaler.

Figure 3
Figur 3: grafisk illustrasjon av smerte stimulering del (A) eksemplarisk smerte elicitation script med randomisert phasic (blå) og tonic (rød) smerte stimuli. (B) utdrag fra smerte elicitation skriptet ovenfor: tre phasic stimuli med en varighet på 5 sekunder og påfølgende pauser. Varigheten av pauser varierer mellom 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 elektrisk smerte med intensitet 1, 2, 3; s = sekunder). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

6. smerte stimulering

  1. Lede deltakeren i eksperimentell rommet og fortelle dem om den kommende prosedyren. Forklare eksperimentelle oppsettet og funksjonaliteten av instrumenter. Informere emnet igjen om muligheten til å avbryte eksperimentet når som helst ved å trykke en gitt akutten knappen eller be om å stoppe.
  2. Spør emnet å ligge godt på eksamen sofaen. Instruer dem til å holde liggende på ryggen under eksperimentet.
  3. Rengjør alle hudområder der elektrodene knyttet med alkohol-løsning. Fjerne alle døde hudceller på overflaten av venstre kinn, bak det venstre øret, og over venstre øyenbrynet med slipende gel. Reclean disse områdene med en alkohol-løsning.
  4. For måling av SCL, fest to pregelled, nonpolarizable Ag/AgCl elektroder til undersiden av den distale falanksen riktige indeksen og langfingeren ved Velcro stropper. Kontroller at stroppene ikke er strammer. De er for stramme hvis emnet rapporterer en bankende sensasjon i fingerspissene.
  5. For å ta et EKG opptak, bruke tre pregelled, selvklebende Ag/AgCl fest elektrodene med runde kontakten områder (34 mm i diameter). Plasser en elektrode (katode) på brystet, ca 6 cm nedenfor kragebeinet. Plasser andre en (anode) på venstre niende og tiende vrborden. Fest tredje elektroden (bakken/referanse) til høyre livet ved bekkenbenet.
  6. For å registrere EMG av M. trapezius, også bruke tre pregelled, selvklebende Ag/AgCl fest elektrodene med runde kontakten områder (34 mm i diameter). Sted to elektroder (katode og anode) ved siden av trapezius-muskelen igjen i nakken. Plasser tredje en (referanse) nedenfor på venstre kragebeinet.
  7. Bruk seks gjenbrukbare, skjermet Ag/AgCl elektroder med 4 mm opptak diameter for å måle EMGs av M. corrugator supercilii og M. zygomaticus store. Fyll i hulrom i elektrodene med elektrolytt gel.
    1. Fest elektrodene med dobbelsidig selvklebende krage slik: for corrugator supercilii, plasserer en elektrode (anode) direkte over venstre øyenbrynet, ved siden av (venstre) pannen linjen. Plass andre elektrode (katode) 1 cm sideveis for det første.
    2. Knytte en tredje elektrode (referanse) til midten av frontale Ben like nedenfor hårfestet. For zygomaticus store, tegner du en tenkt linje fra den venstre muntlig commissure til venstre øreflipp. Plasserer en elektrode (anode) litt under midten av linjen og andre en (katode) 1 cm mediale av. Fest tredje elektroden (referanse) til den venstre mastoid. Koble alle elektroder til tilsvarende biosignal innspillingen enheten.
  8. Utføre en visuell kontroll med biosignal innspillingen programvare hvis alle fysiologiske signaler er av god/god kvalitet. Spør emnet flytte enkelte muskler og sjekk signalutgangen på respektive. Justere/å forbedre alle utilfredsstillende signaler ved riktig middel/handlinger.
  9. Plass en Ag/AgCl elektrode (34 mm diameter) på oversiden av den mellomliggende falanksen venstre pekefinger (anode) og en på oversiden av den proksimale falanksen av venstre langfingeren (katode). Fixate elektrodene med medisinsk bånd som fag kan svette under inngrepet, redusere feste av elektrodene. Koble til elektrodene til til elektro stimulator.
  10. Gjelde thermode av faget venstre underarm ca 30 mm proksimale til håndleddet med en Velcro stropp. Kontroller at stroppen ikke constrict huden.
  11. Start alle kameraer. Kontroller at deltakeren er helt synlig i kamerabildene. Om nødvendig, be emnet å justere plasseringen. Spesielt ta vare på ansikts kameraer med en liten synsfelt. Ideelt sett skal ansiktet i midten av bildet for å redusere risikoen for at deltakeren trekk hodet ut av synsfeltet under eksperimentet.
  12. Sjekk Hvis mikrofonen er på og innspillingsvolumet er tilfredsstillende.
  13. Spør emnet hvis hun har ytterligere spørsmål, og hvis hun er klar for eksperimentet. Instruere henne å handle helt naturlig og ikke for å undertrykke og overdrive eventuelle smerter reaksjoner under eksperimentet.
  14. Start alle innspillingsenheter (kameraer, mikrofon, biosignal opptaker) overholde kravene for datasynkronisering.
  15. Forlate eksperimentelle rommet og angi kalibrering/overvåking rommet. Vente i fem minutter slik at fysiologiske signaler av faget til å normalisere. Kjøre skriptet smerte elicitation.
  16. Nøye overvåke emnet og fremdriften av smerte stimulering. Skriv ned alle tidsstempler åpenbart uvanlig/unaturlig atferd, tekniske problemer eller biosignal gjenstander på grunn av ekstrem bevegelse, kommer av elektroder, etc.
  17. Etter avslutningen av smerte elicitation skriptet, kan du stoppe alle innspillingsenheter. Lagre/Eksporter alle dataene i en foretrukket format. Slå av termisk og elektro stimulator.
  18. Sjekk Hvis deltakeren er OK og koble alle elektroder og thermode. Rengjør alle hudområder med alkohol-løsning for å fjerne elektrode gel restene.
  19. Få den kalde Gelpack fra fryseren og bryte den inn i hygienisk ikke vevede håndkle (eller noe lignende, f.eks. tynne papirhåndkle). Be deltakerne til å bruke den i minst 5 minutter hud området der thermode var plassert.
  20. Tilby faget mulighet til deres individuelle smerte nivåer demonstrert og forklart.
  21. Salve gjelde hud området der thermode var plassert.
    Merk: Kaldt Gelpack og salve brukes til å minimere (en potensiell) rødhet og irritasjon av huden.
  22. Overlate monetær kompensasjon og har anerkjent med en kvittering. Oppgi kontaktinformasjon ved nye spørsmål. Takk deltakeren og si farvel.
  23. Fjerne akustiske skum fra begge sider av vannledningen røret. Passere thermode og elektrodene kabelen til til elektro stimulator tilbake til kalibrering/overvåking rommet. Kast alle disponibel elektroder, Rengjør alle gjenbrukbare elektroder av gel og rengjør eksamen sofaen med en egnet overflaten sanitizer. Sett den kalde Gelpack tilbake i fryseren.

Representative Results

Smerter oppleves forskjellig av en person og kan uttrykke seg diversely i ansiktsuttrykk, paralinguistic og/eller fysiologiske signaler. Utformingen av denne studien er egnet til å analysere smerte svar på flere måter med hensyn til de underliggende målene. Innhentet data kan svare spørsmål forskning, som: er det spesifikke smerte reaksjonsmønster? Skiller de om smerte modell og varighet?

Totalt 134 fag deltok i vårt eksperiment. Sex ratio var 50/50. Vi delt dem i de følgende aldersgruppene: 1) 18-29 år (N = 49, 23 menn, 26 kvinner), 2) 30-39 år (N = 45, 23 menn, 22 kvinner), 3) 40-50 år (N = 40, 21 menn, 19 kvinner). Gjennomsnittsalderen for alle fag var 31.4 (SD = 9,7), alle menneskenes = 33,4 (SD = 9.3) og av alle kvinner = 32,9 (SD = 10.2) år. Studien fant sted ved Institutt for medisinsk psykologi på Universitetet i Ulm, Tyskland.

Det viktigste resultatet av denne protokollen er et datasett med lyd, video og psychophysiological signaler reflekterer fagene svar på smerte stimuli. Tabell 1 gir en generell oversikt på de tekniske funksjonene opptak signaler og antall indusert smerte stimuli i studien.

Tekniske funksjoner
Signal: Samplingsfrekvens: Attributter:
Lyd 44100 Hz Mono, MP3 320 kbps
Kamera 1 (ansikt, frontal-visning) 25 Hz Fargen video: oppløsning 1384 x 1032,
HEVC kodet med libx265 (CRF 16, forhåndsinnstilte medium)
Kameraet 2 (ansikt, siden) 25 Hz Fargen video: oppløsning 1620 x 840,
HEVC kodet med libx265 (CRF 16, forhåndsinnstilte medium)
Kroppen kamera ca. 30 Hz Fargen video: oppløsning 1500 x 600,
HEVC kodet med libx265 (CRF 16, forhåndsinnstilte medium);
Dybden video: oppløsning 500 x 200, tapsfri koding
Termisk kamera ca. 120.8 Hz Overflatetemperatur video: oppløsning 120 x 160,
gråtone MPEG-4 AVC kodet med libx264
(CRF 0, forhåndsinnstilte veryfast),
kodet temperaturområde 26,5-52.0 ° C (trinn 0,1)
EKG 1000 Hz Maskinvare filtrert via BioPac: 35 Hz LP, 0,5 Hz HP,
50 Hz støyfilter
SCL 1000 Hz Maskinvare filtrert via BioPac: 10 Hz LP, ingen HP,
ingen støyfilter
EMG M. trapezius 1000 Hz Maskinvare filtrert via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
ingen støyfilter
EMG M. corrugator supercilii 1000 Hz Maskinvare filtrert via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
ingen støyfilter
EMG M. zygomaticus store 1000 Hz Maskinvare filtrert via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
ingen støyfilter
Stimuli Termisk Elektrisk
Emner: Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s): Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s):
Per emne 90 (30 per intensitet) 3 (1 per intensitet) 90 (30 per intensitet) 3 (1 per intensitet)
Alle (N = 134) 12060 (4020 per intensitet) 402 (134 per intensitet) 12060 (4020 per intensitet) 402 (134 per intensitet)
Menn (n = 67) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet)
Kvinner (n = 67) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet)

Tabell 1: tekniske egenskaper og antall indusert stimuli. Den øvre halvparten (tekniske funksjoner) viser samplingsfrekvenser og attributtene til sender. Nederst halvdelen (Stimuli) viser antall indusert spesifikke (termisk/elektrisk) smerte stimuli for et emne, alle fag og kjønn. (MP3 = bevegelige bilder eksperter gruppe Layer-3 lyd, kbps = kilobit per sekund, HEVC = høy effektivitet Video koding, CRF = konstant Rate faktor, MPEG-4 AVC = filmselskaper eksperter gruppe lag-4 Video Advanced Video Coding, Hz = Hertz, ° C = grader Celsius, s = sekunder ECG = elektrokardiogram, SCL = Skin konduktans Level, EMG = Elektromyografi, LP = low pass-filteret, HP = høypassfilter, M. = Musculus).

En sekundær utfallet om kalibreringsfase av studien er presentert i tabell 2. Det viser mener stimulering temperaturer og strømmer av smerte intensiteter 1 og 3 (som beregnet i trinn 5.11 protokollen) for alle fag, og i tillegg for mannlige og kvinnelige undergruppen.

Stimuli Termisk [i ° C] betyr (SD) Elektrisk [i mA] betyr (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)
Menn (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)
Kvinner (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)

Tabell 2: mener stimulering temperaturer og strømmer av smerte 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 elektrisk smerte med intensitet 1, 3; ° C = grader; mA = milliampere, SD = standardavvik).

Hvis alle trinn av protokollen utføres nøye og ingen tekniske problemer oppstår (i datamaskinen eller opptak enheten sammenbruddet, etc.), kan et vellykket resultat ligne avbildet i figur 4. Alle signaler er av høy kvalitet og påvirkes ikke av eksterne kilder til forstyrrelser. Deltakeren er tydelig i hver kameraet.

Figure 4
Figur 4 : Eksempeldataene fra en vellykket eksperiment. Figuren viser registrerte signaler noen sekunder før, under og etter en intens smerte stimulans. Alle signaler er ufiltrerte og synkroniseres i tid. For enkelhets skyld vises bare representant skjermbilder av videosignalene her. (EMG = Elektromyografi, SCL = Skin konduktans Level, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekunder). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Uventede hendelser kan imidlertid forårsake dataene bli støyende eller skadet. Dessuten datamaskinen eller opptak enheten krasjer, den kommende-off av elektroder (spesielt gjenbrukbare elektroder med liten diameter som er festet med dobbelsidig selvklebende krage) hovedsakelig fører til ubrukelig signaler. Som et eksempel for en sub-optimal datasett viser figur 5 øyeblikket da en EMG elektrode kommer ut og gjør det tilsvarende signalet ubrukelig.

Figure 5
Figur 5 : Eksempeldataene fra en sub-optimal eksperiment. Den røde sirkelen angir gangen en av EMG elektrodene (M. zygomaticus store) falt av motivets kinnet. Dette kan ha vært på grunn av svette eller hodet bevegelse. Fra dette øyeblikk på var signalet tapt. (EMG = Elektromyografi, SCL = Skin konduktans Level, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekunder). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

På grunn av etiske retningslinjer måtte maksimal intensiteten av termisk og elektriske stimuli være begrenset. Angående termisk kalibrering kontroll (se utfyllende fil), 37 fag (31 menn, 6 kvinner) nådd gitt cut-off 50.5 ° c (forholdet = 37/134 = 27.61%). Som for termisk kalibrering del 1, 60 deltakere (39 menn, 21 kvinner) nådd cut-off 50.0 ° c (forholdet = 60/134 = 44.78%) og om del 2, 57 personer (37 menn, 20 kvinner) cut-off 49,5 ° c (forholdet = 57/134 = 42.54%). Cut-off i begge elektrisk kalibrering var 25 mA. Ingen av 134 fagene nådd det.

Som vi planlegger å publisere dataene (se neste avsnitt), merkes i tillegg datasettene deltakere som har nådd konsentrasjon og klassifiseringene subjektive smerte for de tilsvarende konsentrasjon inkluderes.

Vi ønsker å påpeke at hovedfokus for protokollen er å få multimodal signaler for å analysere termisk og elektrisk. Derfor diskuteres ingen andre resultatene her. Etter avmerker, unntatt datasett på grunn av manglende data eller avvist skriftlig samtykke for datadeling, vil datasett med denne studien bli gjort tilgjengelig under navnet "X-ITE smerte Database". Besøk https://github.com/philippwerner/pain-database-list for ytterligere informasjon om når og hvordan du anskaffer X-ITE smerte DB.

Supplerende filen 1. Klikk her for å laste ned denne filen.

Discussion

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.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

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.

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).
Multimodal signaler for å analysere smerte svar på termisk og elektriske Stimuli
Play Video
PDF DOI

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