Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Behavior

Multimodala signaler för att analysera smärta Svaren till termisk och elektrisk Stimuli

doi: 10.3791/59057 Published: April 5, 2019

Summary

Denna artikel fokuserar på den experimentella elicitering av smärta genom värme (termisk) och elektrisk stimulering under inspelning fysiologiska, visuell och Paralingvistisk Svaren. Det syftar till att samla in giltiga multimodala data för att analysera smärta baserat på dess intensitet, kvalitet och varaktighet.

Abstract

Bedömning av smärta är oftast beroende av metoder som kräver en person att kommunicera. Men för personer med kognitiv och verbal nedskrivningar är befintliga metoder inte tillräckliga då de saknar reliabilitet och validitet. För att närma sig problemet, fokuserar senaste forskning på en objektiv smärtbedömning underlättas av parametrar av svaren som härrör från fysiologi och video- och ljudsignaler. För att utveckla tillförlitliga automatiserad smärta erkännande system, har ansträngningar gjorts att skapa multimodala databaser för att analysera smärta och upptäcka giltig smärta mönster. Medan resultaten är lovande, fokuserar de endast på diskriminerande smärta eller smärta stödnivåer kontra ingen smärta. För att för detta, bör forskning också överväga kvalitet och varaktighet av smärta, eftersom de ger ytterligare värdefull information för mer avancerad smärtlindring. För att komplettera befintliga databaser och analys av smärta när det gäller kvalitet och längd, föreslår detta papper en vilken Psykofysiologisk experimentet för att framkalla, mäta och samla in giltig smärta reaktioner. Deltagarna genomgår smärtsamma stimuli som skiljer sig intensitet (låg, medelhög och hög), duration (5 s / 1 min), och modalitet (värme / El smärta) medan ljud, video (t.ex. ansiktsuttryck, kropp gester, ansiktshud temperatur), och fysiologiska signaler (t.ex. EKG [EKG], hud konduktans nivå [SCL], ansiktsbehandling Elektromyografi [EMG] och EMG av M. trapezius) registreras. Studien består av en kalibrering att fastställa en persons individuella smärta (från lågt till outhärdlig smärta) och en stimulering fas i vilken smärta stimuli, beroende på intervallet kalibrerad, tillämpas. De erhållna uppgifterna kan förfina, förbättra och utvärdera automatiserad erkännande system när det gäller en objektiva smärtbedömning. För vidareutveckling av sådana system och att undersöka smärta reaktioner i mer detalj, ytterligare smärta formerna såsom tryck, bör kemiska eller kalla smärta ingå i framtida studier. Inspelade data från denna studie kommer att släppas som ”X-ITE smärta databas”.

Introduction

Smärta är en mycket personlig och obehaglig känsla som uppfattas annorlunda av alla. Det varar från sekunder till månader och kan variera i dess kvalitet (bultande, skarp, brännande, etc.). Om behandlas otillräckligt, smärta påverkar fysiska och psykiska funktioner i kroppen, minskar livskvaliteten och bär risken för att bli ett kroniskt tillstånd. I klinisk vård är korrekt bedömning av smärtintensitet och kvalitet mycket relevant att ge framgångsrika pain management1,2. Gold standardmetoder för bedömning av smärta, såsom visuell analog skala (VAS), den numerisk skalan (NRS) eller McGill Pain frågeformulär3, förlita sig på egna rapporter om patienter och därmed fungerar bara tillräckligt med kognitivt och verbalt unimpaired personer. Följaktligen etablerade alla de metoder saknar giltighet och tillförlitlighet när det gäller nyfödda4, yrande, sövande, lugnande preparat, eller ventilerade patienter5, eller personer som lider av demens6,7. I komplement eller ett alternativ att själv rapportera skalor, har metoder för att mäta smärta genom observation av utbildad personal (t.ex. den Zurich Observation smärtbedömning8 eller Abbey Pain Scale9) utvecklats under de senaste åren. Dock lider även dessa verktyg av begränsningar i tillförlitlighet och giltighet, även utbildad bedömare kan inte garantera en objektiv bedömning. Programmet är dessutom ofta alltför tidskrävande för kliniska personalen när smärta bedömningen bör göras regelbundet.

Flera forskargrupper har fokuserat på att utveckla automatiserad smärta erkänner system, som tillåter för att mäta smärta av fysiologiska, visuell, eller Paralingvistisk signal anger som nya metoder för bedömning och övervakning smärta och dess intensitet objektivt. Tidigare studier visar lovande resultat i att upptäcka och att differentiera smärta10,11,12,13,16,17,18 eller diskriminerande smärta från grundläggande känslor14,15 baserat enbart på en av signalen anger10,11,12,13,14, 15 samt på en kombination/fusion16,17,19 av uppsättningar. De ovannämnda villkoren reagerar nästan självständigt stressande stimuli såsom smärta. Använder dem har fördelen att de inte kräver en persons förmåga att rapportera hans/hennes smärta. Sådana individer skulle stor nytta en objektiva smärta erkännandesystem som omfattar sådana metoder. Dataset bestående av reaktioner framkallade smärta ger värdefull information för att analysera smärta mönster och utveckla praktiska tillämpningar för att upptäcka och övervaka smärta. Bland annat Walter et al.20 skapade ”BioVid värme smärta databasen”, en multimodal databas som är allmänt tillgängliga och ger data från kort-tid inducerad smärtsamma värme stimuli och motsvarande vilken Psykofysiologisk och visuella reaktioner. ”SenseEmotion databasen” Velana et al.21 innehåller biosignaler, videor och Paralingvistisk information från volontärer påverkas av phasic värme smärta och känslomässiga stimuli.

Medan dessa databaser är väl lämpade för att undersöka smärta reaktioner, är de mestadels baserade på en viss smärta modell. Som smärta skiljer sig i dess kvalitet (förmodligen beroende på smärta modell) och dess varaktighet, det kan också skilja sig i dess fysiologiska, visuella och Paralingvistisk korrelerar. Till bäst av författarnas kunskap finns ingen multimodala studier eller databaser som kombinerar två eller flera smärta modeller och variera smärta stimuli i intensitet och varaktighet för att inte bara upptäcka smärta mönster men också skilja mellan smärta kvaliteter.

Detta dokument innehåller ett protokoll om hur man genomför en komplex vilken Psykofysiologisk experimentet för att framkalla smärta och samtidigt spela in fysiologiska reaktioner (t.ex. EKG, EMG av Musculus trapezius, wellpappmaskinen superciliioch zygomaticus stora, SCL) samt video (t.ex. ansiktsuttryck, kropp gester, ansiktshud temperatur) och ljuddata. Deltagarna är stimuleras med kort (phasic) och längre varaktig (tonic) värme och elektrisk smärta stimuli som varierar i intensitet. En kalibrering fas innan experimentet bestämmer smärttrösklar för varje ämne individuellt.

Studien syftar till att samla in multimodala data för att undersöka smärta (mönster) angående intensitet, kvalitet och längd med hjälp av statistiska metoder, machine learning algoritmer, etc. Dessutom planeras redan insamlade data publiceras för akademiska ändamål under namnet ”X-ITE (Experimentally jagorsakades av pantoprazolinducerade Thermal och Electrical) smärta databas”. Det kan förlänga befintliga databaser, till exempel BioVid värme smärta och SenseEmotion20,21, och bidra till ytterligare utveckling, förbättring eller utvärdering av system för automatiserad smärta erkännande i frågor av giltighet, tillförlitlighet och realtid erkännande.

Resten av tidningen är organiserad på följande sätt. Protokollet beskrivs hur du genomföra smärta elicitering studien steg för steg. Sedan, de representativa resultat presenterar resultatet av experimentet. Slutligen, diskussionen täcker kritiska moment, begränsningar och fördelar av studien följt av förslag för framtida filändelser.

Protocol

Studien genomfördes i enlighet med de etiska riktlinjerna fastställs i World Medical Association Helsingforsdeklarationen (godkännande från etiska kommittén beviljades: 196/10-UBB/bal) och godkänts av den etiska kommittén av Ulm University ( Helmholtzstraße 20, 89081 Ulm, Tyskland).

1. med förbehåll rekrytering och urval

  1. Rekrytera ett lika stort antal friska kvinnliga och manliga personer mellan 18 och 50 år genom affischer, åhörarkopior, lokala pressen annonser och sociala medier för att uppnå en mestadels allmänna prov. Annonsera vetenskapliga nyttan av studien och erbjuda en ekonomisk ersättning. Ange telefonnummer eller kontakta e-postadress för ytterligare information.
    Obs: Åldersrelaterade effekter i smärtkänslighet är väl rapporterade22 och övervägas i provurvalet. För att undvika confounding resultaten med ålder effekter, väljer vi en yngre grupp som anses av Lautenbacher et al.22.
  2. Utesluta potentiella patienter som uppfyller något av följande kriterier: lider av kronisk smärta, depression eller en historia av psykiatriska störningar; med neurologiska sjukdomar, huvudvärk syndrom eller kardiovaskulär sjukdom; regelbundet tar smärtstillande eller använder smärtstillande medel direkt innan experimentet.

2. allmänna förberedelser av smärta elicitering experiment

Obs: Smärta elicitering experimentet består av två temporally successiva delar: den kalibrering delen och den smärta stimulering. Den kalibrering del avgör en deltagares individuella smärttröskel och smärta toleransnivå när det gäller termisk och elektrisk stimuli. Smärtan stimulering delen utför smärta induktion anpassas till enskilda tröskelvärdena. Varje del av experimentet äger rum i ett annat rum: den kalibrering och den experimentella rum. Kalibrering rummet fungerar också som ett övervakning rum för experimenter under smärta stimulering (se figur 1).

Figure 1
Figur 1 : Schematisk bild av rummet setup. Till höger visas kalibrering/kontroll rummet där å Kalibrering sker. Senare tjänar också som en signal övervakning rum under smärta stimulering delen, som följer den kalibrering delen. Till vänster visar experimentella rummet där smärtan stimulering delen sker. Båda rummen är anslutna med en conduit pipe, som thermode, elektroderna kabel av elektrisk stimulator och dator ledningar kan passeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Välkommen ankommande föremål och leda henne till kalibrering rummet. Informera deltagaren i detalj om 3 h experimentet och möjligheten till uppsägning när som helst utan negativa följder. Erhålla ett skriftligt informerat samtycke för experimentet och en skriftlig bekräftelse att ingen av uteslutande kriterier tillämpas. Förbered ett kvitto och skadestånd.
  2. Använda CE-märkta stimulatorer som möjliggör inducerande starkt kontrollerad termisk och elektrisk stimuli. Använda analog-till-digital-omvandlare som omvandlar de analoga termisk och elektrisk stimuli till digitala signaler att fånga. Slå på termiskt och den elektriska stimulatorn.
  3. För kalibrering och den huvudsakliga delen av experimentet, anställa lämplig programvara, vilket gör att manuell eller automatisk utlösning av termisk och elektrisk stimuli. Starta programvaran från den termisk och elektrisk stimulatorn. Förbereda penna och papper att skriva ner stimuli stödnivåer och de motsvarande smärta stödnivåer som rapporterats av deltagaren.
  4. Låt ämnet sitta bekvämt på en stol med en högersidig armstöd. Plats en tryckt skala går från 0 till 100 i steg om 5 med, på den vänstra, anchor point 0/Nej smärta och, till höger, ankare pekar 100/outhärdlig smärta framför motivet. Instruera föremål att verbalt Betygsätt smärtintensiteten av ett stimulus omedelbart när du ombeds göra det, med hjälp av skalan som tillhandahålls. Exakt förklara att endast noll betyder ”ingen smärta” medan 100 motsvarar ett stimulus som inte kan tolereras längre.
    Obs: I denna studie, ”smärta tolerans” uppfattas som intensiteten av ett stimulus som ett ämne inte kan bära längre, mening här: inte tål längre. Således markeras fästpunkten 100 som outhärdlig smärta i motsats till en numerisk skattningsskala som används i klinisk praxis.

3. kalibrering av elektriska smärttröskel och tolerans (delarna 1 och 2)

Obs: Endast en försöksledaren bör genomföra den kalibrering delen för att minimera de sociala effekterna på smärtkänslighet. Välja en försöksledaren med samma kön som deltagaren att minimera över sex effekter på smärta känslighet23. Del1 avgör smärttröskel och tolerans när det gäller kort (phasic) elektriska stimuli och del 2 i form av längre varaktig (tonic) elektriska stimuli. Dessa värden fungera som utgångspunkt för att beräkna de phasic och tonic elektriska smärta stimuli tillämpas i smärtan stimulering delen.

  1. Ren deltagarens hud rätt index och middle finger med alkohollösning. Placera en disponibel Ag/Granulatfyllda elektrod (hud kontakt storlek: 34 mm i diameter) på den övre sidan av den mellanliggande falangen av det högra pekfingret (anod) och en annan på ovansidan av proximala falangen av rätt långfingret (katod). Anslut elektroderna till den elektriska stimulatorn.
  2. Be motivet att vila sin högra arm bekvämt på armstödet och ge dem instruktioner för följande procedur.
    Obs: Här är ett exempel på hur man formulera anvisningen för elektrisk kalibrering del 1: ”du kommer att uppleva korta elektriska stimuli av olika intensiteter. Vi börjar med mycket låg intensitet. Först, du är skyldig att ange den första gången som du känner dig låg smärta. Detta kommer att vara din 'smärttröskel'. För att fastställa denna tröskel, startar jag en elektrisk stimulans, och strax innan det slutar, jag kommer att säga 'Nu.' När detta händer bör du omedelbart rapportera om stimulans var smärtsamt eller inte genom betyg det på en skala från noll till hundra. Om stimulansen inte var smärtsam, vänligen rapportera 'Zero'. Jag kommer att gå med en ökad intensitet. Efter första gången du rapportera ett tal större än noll, jag kommer att minska intensiteten några nivåer och vi upprepa hela proceduren tills du anger ett tal som är större än noll igen. Vi gör detta för att validera tröskeln' smärta'. Efter det, kommer jag långsamt öka intensiteten till den punkt där du betygsätta den stimulans med 'Hundra,' vilket betyder att du inte kan tolerera eller stå smärtan längre. Detta kommer att vara din 'smärta toleransnivå'. Igen, för att validera denna nivå, jag kommer gå tillbaka några nivåer och vi kommer att upprepa proceduren tills du rapporten 'Hundra' för andra gången. Så fort du säga 'Hundra', kommer jag omedelbart stoppa stimulans ”.
  3. Påbörja elektrisk kalibrering del 1 genom att starta en stimulans av 0,5 mA (400 V) med en löptid på 5 s genom att klicka på knappen starta från den elektriska stimulatorn (programvara).
    Obs: Varje elektrisk stimulans av elektrisk kalibrering del 1 har en löptid på 5 s. Stimulansen består av 100 enda electroshocks 2 ms varaktighet, varje fördelas lika över 5 s.
    FÖRSIKTIGHET: Elektrisk kalibrering alltid börjar med 0,5 mA och har en cutoff 25 mA för att förhindra medvetslöshet och livshotande situationer.
  4. Säga ”nu” på 4: e andra av stimulans. Skriv ned numret angående rapporter för motsvarande stimulus intensitet. Genomföra en paus på 10 s lång.
  5. Om ämnet rapporterar noll, öka intensiteten av 0,5 mA, start stimulansen och gå tillbaka till steg 3,4. Annars minska intensiteten med 1,5 mA (minsta: 0,5 mA), starta stimulansen och gå tillbaka till steg 3,4. När ämnet rapporterar ett tal större än noll för andra gången, beräkna medelvärdet av de två stödnivåer som motsvarar noll, skriva ner det och markera den som ”phasic elektriska smärttröskel” (pEPTh). Därefter fortsätter du med steg 3.6.
  6. Ökning nuvarande intensiteten av 0,5 mA och börja stimulansen.
  7. Säga ”nu” efter 4 s startar stimulansen. Skriv ned numret angående rapporter för motsvarande stimulus intensitet. Paus för 10 s.
  8. Om ämnet rapporterar ett värde under 100, öka intensiteten av 0,5 mA, start stimulansen och gå tillbaka till steg 3,7. Annars minska intensiteten med 1,5 mA (minsta: 0,5 mA), starta stimulansen och gå tillbaka till steg 3,7. När ämnet rapporterar 100 för andra gången, beräkna medelvärdet av de två stödnivåer som motsvarar 100, skriva ner det och markera den som ”phasic elektriska smärttolerans” (pEPTo). Fortsätt med steg 3,9.
  9. Informera deltagare om del 2 av elektrisk kalibrering.
    Obs: Detta är ett möjligt instruktion för elektrisk kalibrering del 2: ”igen vi börjar med en låg intensitet, men den här gången stimuli blir längre. Jag kommer att säga 'Nu' två gånger, rätt efter början och strax före ändelsen av ett stimulus. Varje gång jag säger 'Nu', gjorde du rapporterar ett nummer som du i den första delen. Efter första gången du rapportera ett tal större än noll, jag kommer att minska intensiteten några nivåer och vi upprepa hela proceduren för validering, tills du anger ett tal som är större än noll igen. Därefter kommer jag sakta öka intensiteten till den punkt där du betygsätta stimulansen med 'Hundra.' Igen, för att validera denna tröskel, jag kommer gå tillbaka några nivåer och vi kommer att upprepa proceduren tills du rapporten 'Hundra' för andra gången. Så fort du säga 'Hundra', kommer jag omedelbart stoppa stimulans ”.
  10. Påbörja elektrisk kalibrering del 2 genom att starta en stimulans av 0,5 mA (400 V) med en varaktighet av 10 s genom att klicka på knappen starta från den elektriska stimulatorn (programvara).
    Obs: Varje elektrisk stimulans elektrisk kalibrering del 2 har en varaktighet på 10 s. Stimulansen består av 200 enda elektriska chocker av 2 ms varaktighet varje, fördelas lika över 10 s.
  11. Säga ”nu” efter 1 s startar stimulansen. Skriv ned numret angående rapporter för motsvarande stimulus intensitet. Säga ”nu” 1 s före den stimulus ändar och, igen, skriva ner antalet föremål rapporterar nu för motsvarande stimulus intensitet. Paus för 10 s.
  12. Om båda av motivets rapporter är noll, öka intensiteten av 0,5 mA, start stimulansen och gå tillbaka till steg 3.11. Annars minska intensiteten med 1,5 mA (minsta: 0,5 mA), starta stimulansen och gå tillbaka till steg 3.11. När ämnet rapporterar ett tal större än noll för andra gången, beräkna medelvärdet av de två stödnivåer som motsvarar noll, skriva ner det och markera den som ”tonic elektriska smärttröskel” (tEPTh). Därefter fortsätter du med steg 3.13.
  13. Ökning nuvarande intensiteten av 0,5 mA och börja stimulansen.
  14. Säga ”nu” efter 1 s startar stimulansen. Skriv ned numret angående rapporter för motsvarande stimulus intensitet. Säga ”nu” 1 s innan stimulans avslutas. Igen, skriv ner antalet föremål nu rapporterar för motsvarande stimulus intensitet. Paus för 10 s.
  15. Om båda av motivets rapporter är under 100, öka intensiteten av 0,5 mA, start stimulansen och upprepa steg 3.14\u20123.15. Annars om någon av motivets rapporter är exakt 100, minska intensiteten med 1,5 mA (minsta: 0,5 mA), starta stimulansen och upprepa steg 3.14\u20123.15. När ämnet rapporterar 100 för andra gången, beräkna medelvärdet av två intensiteter motsvarar 100, skriva ner det och markera den som ”tonic elektriska smärttolerans” (tEPTo). Fortsätt sedan med steg 3.16.
  16. Koppla bort elektroderna från den elektriska stimulatorn och ta bort båda Ag/Granulatfyllda elektroder från deltagarens fingrar. Rena fingrar med alkohollösning att tvätta bort elektrodgel återstår.

4. kalibrering av termiska smärttröskel och tolerans (delarna 1 och 2)

Obs: Termisk smärta kalibreringen är uppdelad i två delar. Del1 avgör smärttröskel och tolerans när det gäller kort (phasic) termiska stimuli och del 2 sker i form av längre varaktig (tonic) termiska stimuli. Dessa värden fungera som grund för beräkningen av de phasic och tonic termisk smärta stimuli tillämpas under smärta stimulering delen.

  1. Gälla på ovansidan av försökspersonens högra underarm, ca 30 mm proximalt om handleden, en 30 x 30 mm thermode av en krok-och-loop fastener rem. Be motivet att vila sin högra arm bekvämt på armstödet.
    Obs: En thermode är den sond/delen av den termiska stimulator som är kopplad till personens hud och inducerar den faktiska termiska stimulansen.
  2. Informera i ämnet om tillvägagångssättet av den termiska kalibrering del 1.
    Observera: En formulering för anvisningen för termisk kalibrering del 1 kan vara: ”du kommer nu att uppleva korta men konstant termiska stimuli av olika intensiteter. Vi börjar med en temperatur strax ovanför din kroppstemperatur. En termisk stimulans kommer att börja och strax innan det slutar, jag säger 'Nu.' När detta händer, ska du snabbt anmäla om stimulans var smärtsamt eller inte efter betyg det på en skala från noll till hundra, som du gjorde i den elektriska kalibrering delen. Likaså om stimulansen inte var smärtsamma, vänligen rapportera 'Zero'. Jag kommer att gå med en ökad intensitet. Det finns alltid en paus på några sekunder mellan två stimuli. Kalibreringsfasen är klar när du rapportera 'Hundra' eller den cutoff temperaturen uppnås ”.
  3. Påbörja termisk kalibrering del 1 genom att starta en stimulans av 39 ° C med en löptid på 5 s genom att klicka på start -knappen i den termiska stimulatorn (programvara).
    Varning: Den termiska kalibrering del 1 har en cutoff temperatur på 50 ° C för att förhindra brännskador på huden.
    Obs: Varje termisk stimulans av den termiska kalibrering del 1 har en löptid på 5 s.
  4. Säga ”nu” på den 4: e sekund av stimulans. Skriva ner intensiteten föremål ger för motsvarande temperatur. Paus för 10 s.
  5. Om uppgift om ämnet är under 100, höja temperaturen med 1 ° C, startar stimulansen och upprepa steg 4.4\u20124.5. Annars, om indikationen är 100 eller cutoff temperatur 50 ° C nås, avsluta termisk kalibrering del 1 genom att fortsätta med nästa steg.
  6. Kontrollera noterade siffrorna och markera första temperaturen med ett motsvarande intensitet tal större än noll som ”phasic värme smärttröskel” (pHPTh). Markera temperaturen med angivande av 100 som ”phasic värme smärttolerans” (pHPTo).
    Obs: Om ämnet rapporterar ett tal under 100 på cutoff temperatur (50 ° C), markera 50 ° C som pHPTo.
  7. Informera deltagare om del 2 av termiska kalibreringen.
    Obs: Här är en exemplarisk formulering för anvisningen för denna termisk kalibreringsfasen: ”vi börjar med en temperatur över din kroppstemperatur, men denna gång de termiska stimuli blir längre. Jag kommer att säga 'Nu' två gånger: rätt efter början och strax innan slutet på stimuli. Varje gång jag säger 'Nu', rapportera du ett tal som motsvarar din smärtupplevelse. Om stimulansen inte var smärtsam, vänligen rapportera 'Zero'. Jag kommer att gå med en ökad temperatur. Det finns alltid en paus på några sekunder efter varje stimulans. Kalibreringsfasen är klar när du rapportera 'Hundra' eller den cutoff temperaturen uppnås ”.
    Varning: Den termiska kalibrering del 3 har en cutoff temperatur 49,5 ° c för att förhindra brännskador på huden, på grund av den längre stimulans varaktigheten.
  8. Påbörja termisk kalibrering del 2 med en stimulans av 39 ° C för 10 s länge genom att klicka på start -knappen i den termiska stimulatorn (programvara).
    Obs: Varje termisk stimulans av den termiska kalibrering del 2 har en varaktighet på 10 s.
  9. Säga ”nu” efter 1 s startar stimulansen. Skriva ner intensiteten föremål rapporterar för motsvarande temperatur. Säga ”nu” 1 s innan stimulans avslutas. Igen, skriva ner intensiteten föremål rapporterar nu för motsvarande temperatur. Paus för 60 s.
  10. Om båda indikationerna av ämnet under 100, höja temperaturen med 1 ° C (undantag: se not nedan), starta nästa stimulans och upprepa steg 4.16. Annars, om någon av rapporterna är exakt 100 eller den cutoff temperaturen 49,5 ° c har uppnåtts, avsluta termisk kalibrering del 2 genom att fortsätta med följande steg.
    Obs: I denna kalibrering fas, temperatur stegen är: 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. Kontrollera noterade siffrorna och markera första vid temperatur som minst en av motsvarande siffror större än noll som ”tonic värme smärttröskel” (tHPTh). Markera temperaturen med en första uppmärksammade rapport 100 som ”tonic värme smärttolerans” (tHPTo).
    Obs: Om ämnet rapporterar både siffror under 100 på cutoff temperatur (49,5 ° C), markera 49,5 ° C som tHPTo.
  12. Ta bort thermode från deltagarens underarm. Be motivet om de behöver en kort paus och/eller vill använda sanitära anläggningen. För att utföra en kontroll om deltagaren är lämplig för smärtan stimulering delen när det gäller termiska stimuli, Följ instruktionerna i kompletterande fil 1.

5. beredning av smärta stimulering experimentet

  1. Beteende smärta stimulering i ett kamera-övervakade, justerbar temperatur och låg ljudnivå experimentella rum bredvid kalibrering/kontroll rum (se figur 1). Anslut båda rummen via en conduit pipa (80 mm i diameter).
    Obs: Kameraövervakning ger information om motivets hälsostatus och möjliggör snabba insatser i händelse av plötslig medvetslöshet eller cirkulationskollaps.
  2. Ställa in en undersökning soffan som ämnet ligger under experimentet. Placera den med långsidan intill en vägg nära conduit röret. Ge en kudde för huvudet.
  3. Fäst en spegel på väggen bredvid undersökning soffan där huvudet av ämnet kommer att vila.
  4. För att fånga fysiologiska data (EKG, 3 x EMG och SCL), använder ljud, videor (frontal och sida vy över ansiktet, ansiktshud temperaturen och en helkropps-vy) och termisk och elektrisk stimulator utgångar under experimentet, lämpliga inspelning datorer, programvara och inspelningsutrustning (en biosignal brännare, tre högupplösta färgkameror, en värmekamera och en riktad mikrofon).
    1. Utveckla en lösning för att synkronisera de inspelade modaliteterna. Den kan bestå en hårdvara triggning av enheter, en inspelning av trigger signalerar av biosignal och ljudinspelare, datorklockor (t.ex. via NTP) och en inspelning av tidsstämplar tillsammans med dataströmmar, och efterbehandling av inspelade data strömmar till kompensera för tidsmässiga förskjutningar och klocka drift.
  5. Installera hela kroppen Visa kameran på ett sätt som att den fångar hela kroppen av ämnet. Installera frontala ansikte Visa kameran ca 1 m ovan huvudet av deltagaren. Montera mikrofonen på vänster sida och termisk kameran till höger, bredvid frontal ansikte kameran. Fästa sida Visa kameran i taket. Justera den till en punkt där det kan spela in ena sidan av motivets ansikte, liksom den motsatta sidan återspeglas i spegeln (se figur 2).

Figure 2
Figur 2: Schematisk bild av kameran och mikrofonen inställningar. Frontal ansikte kamera, värmekamera och mikrofon ställs in ca 1 m ovan huvudet av deltagaren. En side view kamera fångar båda sidor av ansiktet med hjälp av en spegel. En kropp Visa kamera monterad på väggen tillåter inspelning av kroppsrörelse. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Obs: På grund av ett litet experimentella rum, kombinerar en side view kamera med en spegel är en mycket elegant lösning att fånga båda sidor av motivets ansikte med bara en kamera.

  1. Dubbla grafiska utdata av biosignal inspelning datorn till en datorskärm ställa in i rummet kalibrering/kontroll.
  2. Ställa in aktiva PC högtalare i kalibrering/kontroll rummet. Anslut dem via conduit röret med ljudinspelning datorn. Se till att höra deltagaren via mikrofon om de behöver hjälp under experimentet.
  3. Passera thermode och elektroderna kabel från den elektriska stimulatorn genom conduit röret till experimentella rummet. Put rullas upp akustiskt skum i båda sidor av conduit röret (eller ett liknande material som absorberar ljud).
    Obs: Lämna den termiska stimulatorn i kalibrering/kontroll rummet. Det förorenar ljudsignalen inspelning på grund av regelbundet börjar dess interna fläkt för att kyla.
  4. Så här anger du de inspelning samplingsfrekvenser: (a) ljud på 44,1 kHz; (b) frontal och sida Visa kameror vid 25 Hz; (c) hela kroppen Visa kamera vid 30 Hz; (d) värmekamera 120 Hz; (e) SCL, EMG och EKG vid 1000 Hz. spara alla inställningar.
  5. Få en kall gel pack (100 x 100 mm) och sätta det i en frys. Förbereda en 200 x 200 mm hygienisk nonwoven handduk eller något liknande (t.ex. ett tunt pappershandduk) och en salva.
  6. Beräkna 12 individuell stimulans stödnivåer, sex varje för värme och elektrisk smärta induktion, enligt följande: (a) phasic elektriska smärtintensitet 3 (pE3) = 90% av pEPTo; (b) phasic elektriska smärtintensitet 2 (pE2) = (pE3 + pEPTh) / 2; (c) phasic elektriska smärtintensitet 1 (pE1) = pEPTh; (d) tonic elektriska smärtintensitet 3 (tE3) = 90% av tEPTo; (e) tonic elektriska smärtintensitet 2 (tE2) = (tE3 + tEPTh) / 2; (f) tonic elektriska smärtintensitet 1 (tE1) = tEPTh; (g) phasic värme smärtintensitet 3 (pH3) = pHPTo - 0,5 ° C om ämnet rapporterade 100 för pHPTo — annars, pH3 = pHPTo; (h) phasic värme smärtintensitet 2 (pH2) = (pH3 + pHPTh) / 2; (i) phasic värme smärtintensitet 1 (pH1) = pHPTh; (j) tonic värme smärtintensitet 3 (tH3) = tHPTo - 0,5 ° C om ämnet rapporterade 100 för tHPTo — annars, tH3 = tHPTo; (k) tonic värme smärtintensitet 2 (tH2) = (tH3 + tHPTh) / 2; (l) tonic värme smärtintensitet 1 (tH1) = tHPTh.
  7. Ange värden för de phasic elektriska (pE1\u2012pE3) och värme smärta stödnivåer (pH1\u2012pH3) och tonic elektriska (tE1\u2012tE3) och värma smärta stödnivåer (tH1\u2012tH3) — beräknades i steg 5.11 baserat på kalibreringen utförs enligt avsnitt 3 och 4 — i programvaran från den termisk och elektrisk stimulatorn. Ställa in baslinjen (ingen smärta) temperaturen till 32 ° C och temperaturen ökningstakten till 8 ° C/s. spara alla inställningar.
  8. Använda ett skript språk-baserad datorprogramvara som kommunicerar med den termisk och elektrisk stimulatorn. Kontrollera att det möjliggör styrning och utlöser smärta stimuli utifrån ett smärta elicitering skript.
    Obs: Ett smärta elicitering skript utlöser randomiserade smärta stimuli och kontroller timing och varaktighet. I denna studie ger programvara av den termiska stimulatorn möjligheten för att förbereda ett smärta elicitering skript. Programvaran utlöser termiska stimuli automatiskt och skickar signaler när en elektrisk stimulans skall utlösas. Elektriska stimuli utlöses av ett skript som tillagas i en andra programvara.
  9. Förbereda smärta elicitering skriptet (se figur 3) enligt följande. Ange antalet varje phasic stimulus intensitet (pE1, pE2, pE3, pH1, pH2och pH3) till 30 och antalet varje tonic stimulus intensitet (tE1, tE2, tE3, tH1, tH2och tH3) till 1. Ange varaktigheten för varje phasic stimulans till 5 s och varaktigheten av varje tonic stimulans till 60 s. Slumpa ordning på alla stimuli. Randomize pauserna mellan de phasic stimuli till 8 – 12 s. Set pauserna efter de tonic stimuli till 300 s. spara alla inställningar.
    Obs: På grund av längre varaktighet, numrera av de olika tonic värme stimuli är inställd på 1 att undvika brännskador på huden. Alla pauser efter tonic stimuli måste vara 300 s för att möjliggöra fysiologiska signaler till återgår till ursprungsnivån och, därmed, inte förorenar efterföljande signaler.

Figure 3
Figur 3: grafisk illustration av den smärta stimulering del. (A) exemplariska smärta elicitering script med randomiserade phasic (blå) och tonic (röd) smärta stimuli. (B) utdrag från smärta elicitering skriptet ovan: tre phasic stimuli med en varaktighet av 5 sekunder och efterföljande pauser. Varaktigheten av pauser varierar mellan 8 och 12 sekunder. (pH1, pH2, pH3 = phasic värme smärta med intensitet 1, 2, 3; tH1, tH2, tH3 = tonic värme smärta med intensitet 1, 2, 3; pE1, pE2, pE3 = phasic elektriska smärta med intensitet 1 , 2, 3; tE1, tE2, tE3 = tonic elektriska smärta med intensitet 1, 2, 3; s = sekunder). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

6. smärta stimulering

  1. Leda deltagaren till experimentella rummet och berätta om kommande förfarandet. Förklara experimentella inställningarna och funktionerna i instrumenten. Informera ämnet igen om möjligheten att avbryta experimentet när som helst genom att trycka på en medföljande nödknappen eller ber att sluta.
  2. Be motivet ligga bekvämt på undersökning soffan. Instruera dem att hålla liggande på rygg under experimentet.
  3. Ren alla hudområden där elektroderna kommer att bifogas med alkohollösning. Ta bort alla döda hudceller på ytan av den vänstra kinden, bakom vänster öra, och ovanför vänstra ögonbrynet med slipande gel. Reclean dessa områden med en alkohollösning.
  4. För mätning av SCL, bifoga två pregelled, nonpolarizable Ag/Granulatfyllda elektroder på undersidan av den distala falangen av det rätt index och middle finger genom Velcro band. Kontrollera remmarna inte är alltför snäva. De är för snäv om ämnet rapporterar en bultande känsla i sina fingertoppar.
  5. För att registrera EKG, Använd tre pregelled, självhäftande Ag/Granulatfyllda snap elektroder med cirkulär kontaktytorna (34 mm i diameter). Placera en elektrod (katod) på bröstet, ca 6 cm nedanför det högra nyckelbenet. Placera andra en (anod) på den vänstra nionde och tionde revbenet. Fäst den tredje elektroden (marken/referens) högra midjan bredvid bäckenben.
  6. För att spela in EMG av M. trapezius, också använda tre pregelled, självhäftande Ag/Granulatfyllda snap elektroder med cirkulär kontaktytorna (34 mm i diameter). Placera två elektroder (katod och anod) sida vid sida trapezius muskeln till vänster på halsen. Placera tredje en (referens) nedan på vänstra nyckelbenet.
  7. Använd sex återanvändbara, avskärmad Ag/Granulatfyllda elektroder med inspelning diameter 4 mm för att mäta EMGs M. wellpappmaskinen supercilii och M. zygomaticus major. Fyll hålrum av elektroderna med elektrolyt gel.
    1. Fästa elektroderna genom dubbelsidig självhäftande kragar som följer: för den wellpappmaskinen supercilii, placera en elektrod (anod) direkt ovanför vänstra ögonbrynet, bredvid raden (vänster) glabella. Placera den andra elektroden (katoden) 1 cm i sidled till den första.
    2. Bifoga en tredje elektrod (referens) i mitten av pannbenet strax nedanför hårfästet. För den zygomaticus stora, fästa en tänkt linje från vänster muntliga commissure vänstra örsnibben. Placerar en elektrod (anod) något nedanför mitten av linjen och en andra en (katod) 1 cm mediala bredvid den. Bifoga den tredje elektroden (referens) i den vänstra mastoideus. Anslut alla elektroder till motsvarande ingångar av biosignal inspelningsenheten.
  8. Utföra en visuell kontroll med hjälp av den biosignal inspelning programvara om alla fysiologiska signaler är av bra/utmärkt kvalitet. Fråga föremål att flytta vissa muskler och kontrollera respektive signalen. Justera/förbättra eventuella otillfredsställande signaler genom lämpliga medel och insatser.
  9. Placera en Ag/Granulatfyllda elektrod (34 mm i diameter) på den övre sidan av den mellanliggande falangen av vänstra pekfingret (anod) och en annan på ovansidan av proximala falangen av det vänstra långfingret (katod). Fixera elektroderna med medicinsk tejp som ämnen kan svettas under förfarandet, att minska vidhäftning av elektroderna. Anslut elektroderna till den elektriska stimulatorn.
  10. Applicera thermode på ovansidan av motivets vänstra underarmen ca 30 mm proximalt om handleden av en Velcro strap. Se till att remmen inte tygla huden.
  11. Börja alla kameror. Säkerställa att deltagaren är fullt synlig i kamerabilderna. Vid behov be motivet för att justera positionen. Särskilt ta hand om ansiktet kameror med ett litet synfält. Ansiktet bör helst vara i mitten av bilden för att minska risken att deltagaren flyttar huvudet ur synfältet under experimentet.
  12. Kontrollera att mikrofonen är på och inspelningsvolymen är tillfredsställande.
  13. Fråga ämnet om hon har ytterligare frågor och om hon är redo för experimentet. Instruera henne att agera helt naturligt och inte för att undertrycka och överdriva någon smärta reaktioner under experimentet.
  14. Starta alla inspelningsenheter (kameror, mikrofon, biosignal recorder) uppfyller kraven för datasynkronisering.
  15. Låt testrummet och ange kalibrering/kontroll rummet. Vänta 5 minuter för att möjliggöra fysiologiska signaler i ämnet att normalisera. Kör skriptet smärta elicitering.
  16. Noga övervaka föremål och utvecklingen av smärtan stimulering delen. Skriv ner alla tidsstämplar av uppenbara ovanliga/onaturligt beteende, tekniska problem eller biosignal artefakter på grund av extrem rörelse, kommande-off av elektroder, etc.
  17. Efter slutet på skriptet smärta elicitering, stoppa alla inspelningsenheter. Spara/exportera alla data i önskat format. Stäng av den termisk och elektrisk stimulatorn.
  18. Kontrollera om deltagaren är okej och lossa alla elektroder och thermode. Ren alla hudområden med alkohollösning att ta bort elektrod gel resterna.
  19. Få kalla gel pack från frysen och vira den in i hygienisk icke-vävd handduk (eller något liknande, e.g. tunna pappershandduk). Be deltagaren att tillämpa den i minst 5 minuter på hudområdet där thermode placerades.
  20. Erbjuda ämnet möjlighet att få sina individuella smärta nivåer visade och förklarade.
  21. Applicera salva på huden område där thermode placerades.
    Obs: Kall gel pack och salva används för att minimera (en potentiell) rodnad och irritation av huden.
  22. Lämna över skadestånd och har det bekräftas med ett kvitto. Tillhandahålla kontaktinformation vid nya problem. Tackar deltagaren och säga adjö.
  23. Ta bort det akustiskt skummet från båda sidor av conduit röret. Passera thermode och elektroderna kabel från den elektriska stimulatorn tillbaka till rummet för kalibrering/kontroll. Släng alla disponibla elektroder, rengör alla återanvändningsbara elektroder av gel resterna och rengör undersökning soffan med en lämplig yta sanitizer. Lägg den kalla gel Packet tillbaka i frysen.

Representative Results

Smärta uppfattas annorlunda av någon person och kan uttrycka sig mångsidigt ansiktsuttryck, Paralingvistisk och/eller fysiologiska signaler. Utformningen av denna studie är lämplig att analysera smärta Svaren på många olika sätt med avseende på de underliggande målen. De erhållna uppgifterna kan besvara forskningsfrågor, såsom: finns det särskilda smärta svar mönster? Skiljer de sig avseende smärta modell och längd?

Totalt 134 patienter deltog i vårt experiment. Kön var 50/50. Vi delade upp dem i följande åldersgrupper: 1) 18-29 år (N = 49, 23 män, 26 kvinnor), 2) 30-39 år (N = 45, 23 män, 22 kvinnor), 3) 40-50 år (N = 40, 21 män, 19 kvinnor). Den genomsnittliga åldern i alla ämnen var 31,4 (SD = 9,7), alla män = 33,4 (SD = 9,3) och alla kvinnor = 32,9 (SD = 10,2) år. Studien genomfördes vid institutionen för medicinsk psykologi av universitetar av Ulm, Tyskland.

Det viktigaste resultatet av detta protokoll är en uppsättning data med ljud-, video- och vilken Psykofysiologisk signaler återspeglar försökspersonernas svar på smärta stimuli. Tabell 1 ger en allmän översikt på de tekniska egenskaperna hos de inspelade signalerna och på numrerar av inducerad smärta stimuli i studien.

Tekniska funktioner
Signal: Samplingsfrekvens: Attribut:
Ljud 44100 Hz Mono, MP3 320 kbps
Kamera 1 (ansikte, framifrån) 25 Hz Färg video: resolution 1384 x 1032,
HEVC kodade med libx265 (CRF 16, preset medium)
Kamera 2 (ansikte, sidovy) 25 Hz Färg video: resolution 1620 x 840,
HEVC kodade med libx265 (CRF 16, preset medium)
Huskamera ca. 30 Hz Färg video: upplösning 1500 x 600,
HEVC kodade med libx265 (CRF 16, preset medium);
Djup video: resolution 500 x 200, förlustfri kodning
Värmekamera ca. 120,8 Hz Yttemperatur video: upplösning 120 x 160,
gråskala MPEG-4-AVC kodat med libx264
(CRF 0, förinställda veryfast),
kodade temperaturområde 26,5-52,0 ° C (steg 0,1)
EKG 1000 Hz Maskinvara filtreras via BioPac: 35 Hz LP, 0,5 Hz HP,
50 Hz notch filter
SCL 1000 Hz Maskinvara filtreras via BioPac: 10 Hz LP, ingen HP,
inget notch-filter
EMG M. trapezius 1000 Hz Maskinvara filtreras via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
inget notch-filter
EMG M. wellpappmaskinen supercilii 1000 Hz Maskinvara filtreras via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
inget notch-filter
EMG M. zygomaticus stora 1000 Hz Maskinvara filtreras via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
inget notch-filter
Stimuli Termisk Elektriska
Ämnen: Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s): Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s):
Per ämne 90 (30 per intensitet) 3 (1 per intensitet) 90 (30 per intensitet) 3 (1 per intensitet)
Alla (N = 134) 12060 (4020 per intensitet) 402 (134 per intensitet) 12060 (4020 per intensitet) 402 (134 per intensitet)
Män (n = 67) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet)
Kvinnor (n = 67) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet) 6030 (2010 per intensitet) 201 (67 per intensitet)

Tabell 1: tekniska funktioner och antal inducerad stimuli. Den övre halva (tekniska funktioner) visar samplingsfrekvenser och attribut av de specifika signalerna. Nedre halvan (Stimuli) visar numrerar av de inducerade specifika (termisk/elektrisk) smärta stimuli för ett ämne, för alla ämnen och för varje kön. (MP3 = Moving Picture experter gruppen Layer-3 Audio, kbps = kilobit per sekund, HEVC = hög effektivitet Video Coding, CRF = konstant hastighet faktor, MPEG-4-AVC = Motion Picture experter gruppen lager-4 Video Advanced Video Coding, Hz = Hertz, ° C = grader Celsius, s = sekunder, ECG = elektrokardiogram, SCL = konduktans hudnivån, EMG = Elektromyografi, LP = lågpassfilter, HP = högpass filter, M. = Musculus).

En sekundär utgång om kalibreringsfasen av studien presenteras i tabell 2. Det visar den genomsnittliga stimulering temperaturer och strömmar av smärta stödnivåer 1 och 3 (som beräknas enligt steg 5.11 i protokollet) för alla ämnen och dessutom för manliga och kvinnliga undergruppen.

Stimuli Termiska [i ° C] genomsnittlig (SD) Elektriska [i mA] genomsnittlig (SD)
Ämnen pH1 pH3 tH1 tH3 pE1 pE3 tE1 tE3
Alla (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)
Män (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)
Kvinnor (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: menar stimulering temperaturer och strömmar av smärta stödnivåer 1 och 3. (pH1, pH3 = phasic värme smärta med intensitet 1, 3; tH1, tH3 = tonic värme smärta med intensitet 1, 3; pE1, pE3 = phasic elektriska smärta med intensitet 1, 3; tE1, tE3 = tonic elektriska smärta med intensitet 1, 3; ° C = grader Celsius; mA = milliampere, SD = standardavvikelse).

Om alla steg i protokollet genomförs noggrant och inga tekniska problem uppstå (i form av dator eller inspelning enheten kraschar, etc.), kan ett lyckat resultat likna som avbildas i figur 4. Alla signaler är av hög kvalitet och påverkas inte av externa källor till störningar. Deltagaren är tydligt synlig i varje kamera.

Figure 4
Figur 4 : Exempeldata från ett lyckat experiment. Figuren illustrerar inspelade signaler några sekunder före, under och efter en intensiv smärta stimulans. Alla signaler är icke-filtrerad och synkroniseras i tid. För tydlighetens skull visas endast representativa skärmdumpar av videosignalerna här. (EMG = Elektromyografi, SCL = konduktans hudnivån, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekunder). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Oväntade incidenter kan dock orsaka data att bli bullriga eller skadade. Förutom dator eller inspelning enheten kraschar, den kommande-off av elektroder (särskilt återanvändningsbara elektroder med liten diameter som bifogas med hjälp av dubbelsidig självhäftande kragar) mestadels leder till oanvändbara signaler. Som ett exempel för en optimal uppsättning data visar Diagram 5 den stund när en EMG-elektrod lossnar och gör motsvarande signalen värdelös.

Figure 5
Figur 5 : Exempeldata från ett optimalt experiment. Den röda cirkeln visar då en av EMG elektroderna (M. zygomaticus stora) föll av motivets kinden. Detta kan ha varit på grund av svett eller huvud rörelse. Från och med nu var signalen förlorat. (EMG = Elektromyografi, SCL = konduktans hudnivån, ECG = elektrokardiogram, M. = Musculus, s = sekunder). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

På grund av etiska riktlinjer hade de högsta stödnivåerna av termisk och elektrisk stimuli begränsas. När det gäller termisk kalibrering kontroll del (se kompletterande fil), 37 försökspersoner (31 män och 6 kvinnor) nått viss cutoff 50,5 ° c (baserat på = 37/134 = 27.61%). När det gäller termisk kalibrering del 1, 60 deltagare (39 män och 21 kvinnor) nådde brytpunkten på 50.0 ° C (baserat på = 60/134 = 44,78%) och angående del 2, 57 personer (37 män, 20 kvinnor) nådde brytpunkten på 49,5 ° C (baserat på = 57/134 = 42.54%). Cutoff för både elektrisk kalibrering delar var 25 mA. Ingen av de 134 ämnena nådde det.

Som vi planerar att publicera data (se nästa punkt), datauppsättningar av deltagare som har nått cutoffs markeras dessutom och deras subjektiva smärta klassificeringar för de motsvarande cutoffs inkluderas.

Vi skulle vilja påpeka att tyngdpunkten i protokollet är att erhålla multimodala signaler för att analysera termiska och elektriska smärta. Därför, inga andra resultat diskuteras här. Efter kontroll och exklusive datauppsättningar på grund av saknade uppgifter eller avvisade skriftliga medgivande för datadelning, kommer datauppsättningar av denna undersökning att göras tillgängliga under namnet ”X-ITE smärta databas”. För ytterligare information om när och hur du skaffar den X-ITE smärta DB vänligen besök https://github.com/philippwerner/pain-database-list.

Kompletterande fil 1. Vänligen klicka här för att hämta den här filen.

Discussion

Presenterade protokollet fokuserar på den experimentella elicitering av termisk (värme) och elektriska smärta medan inspelning fysiologiska, visuell och Paralingvistisk signaler. Detta nya synsätt, att kombinera två smärta modeller med olika stimuli stödnivåer och två olika stimuli varaktigheter (phasic och tonic), erbjuder ett brett perspektiv om vilken Psykofysiologisk mönster och uttryck av smärta. För förverkligandet av detta protokoll måste dock flera steg beaktas.

I allmänhet, om arbetar med smärta stimuli är det avgörande för att garantera säkerheten för försökspersonerna. Alla smärta stimuli måste kontrolleras mycket och bör endast utföras av erfarna praktiker.
Dessutom för att registrera och samla in tillförlitliga och högkvalitativa data, ordentlig fastsättning av enheter (elektroder), rekommenderas en perfekt fungerande inspelningsutrustning och en smidig kommunikation mellan datorer. Alla källor till störningar bör elimineras eller minskas till ett minimum. För att garantera konsekvens mellan deltagarna, är det viktigt att ge standardiserade instruktioner och oföränderliga försöksbetingelser.

Enligt vår erfarenhet, att hitta lämpliga deltagare som uppfyller alla kriterier och är villiga att ta emot många smärtsamma stimuli, tar lång tid och är ganska utmanande. I tillägg till detta, måste skadestånd vara tillräckligt hög för att locka individer till studien. Särskilt personer mellan 30 och 50 år är svåra att hitta. Detta kan bero på att experimentet är alltför lång (ca. 4 timmar, inklusive ankomst och avresa) och de måste ta en halvdag ledigt från arbetet.

Eftersom säkerheten för deltagarna är av högsta prioritet, kan smärta induktion behöva begränsas. På grund av etiska riktlinjer, får stödnivåerna som stimulans inte överskrida vissa nivåer för att förhindra brännskador och medvetslöshet när det gäller termisk och elektrisk smärta induktion, respektive. En allmän cutoff av intensiteter kan resultera i en tak effekt som vissa ämnen kan nå intensitet gränserna före känsla outhärdlig smärta. I denna studie nådde cirka 42% (med tanke på termisk kalibrering del 1 och 2) av deltagarna de termiska cutoffs (se representativa resultat). Som de inte nådde sin ”riktiga” smärta toleranser, kan deras fysiologiska Svaren till de högsta termiska stimuli fungera annorlunda i motsats till fysiologiska reaktioner individer som nått dem. I så fall kan blanda dessa två grupper påverka klassificeringen resultat när det gäller smärta erkännande.

En viktig punkt att adressen är smärta villkoren i detta experiment. Deltagarna utsätts endast för termisk och elektrisk smärta stimuli (på grund av att dessa är mycket kontrollerbar i en experimentell miljö). Således, om att undersöka smärta mönster när det gäller kvalitet, resultat kan inte översätta andra smärta metoder såsom tryck, kemiska eller visceral smärta.
Samma övervägande på överförbarhet av resultat gäller studien provet. Protokollet är etiskt begränsad till friska vuxna. Det omfattar exempelvis inte barn eller kognitivt och muntligt nedsatt personer. Dessutom i vår studie deltog endast europeiska personer. Även här, kan analysresultat inte gälla grupper som inte beaktas i detta experiment.

En annan begränsning kan gälla den Hawthorne effekt24: ämnen som känner att de blir filmade/observerades i studien. Detta kan ändra sitt beteende.

Jämfört med befintliga smärta databaser, protokollet ger stora fördelar för att analysera smärta svar mönster eftersom den kombinerar två smärta modeller och två tidsförlopp (phasic och tonic): förutom intensitet och varaktighet av smärta, anser det också kvaliteten av smärta. Som termisk smärta beskrivas annorlunda än elektriska smärta (t.ex. brännande kontra sharp), det kan också skilja sig i smärta reaktionerna. I så fall kan dessa konstateranden länka en smärta svar mönster till den underliggande källan för smärtan. Studien är dessutom multimodala att bredda utbudet av smärta utredning möjligheter: sysselsätter 5 vilken Psykofysiologisk signaler, 2 möta (fram/sida) kamera signaler, 1 kroppen Visa kamera signalen, 1 värmekamera och 1 audio signalen, smärta kan analyseras och bedömas mer exakt.

För en mer komplicerad utredning av smärta svar mönster, bör framtida förlängningar av denna metod omfatta mer biosignaler såsom elektroencefalografi (EEG), kroppstemperatur och andning. Det skulle också vara till stor nytta att anställa kontrollerade tryck som en ytterligare smärta-modell. Forskare syftar till automatisk smärta erkännande via data samlats in med detta protokoll bör ytterligare testa lovande maskinmodeller lärande med klinisk kontrollgrupper.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Författarna vill tacka Verena Friedrich, Maria Velana, Sandra Gebhardt, Romy Bärwaldt och Tina Daucher för deras dyrbara hjälp vid genomförandet av studien. Dessutom går ett speciellt tack ut till Dr Stefanie Rukavina för hennes vetenskapliga stöd. Denna forskning var en del av DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) ”avancemang och systematiskt av en automatiserad smärta erkännande System on the Basis of ansikts uttryck och psykobiologiska valideringsparametrar” projekt, finansierat av den tyska forskningen 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).
Multimodala signaler för att analysera smärta Svaren till termisk och elektrisk 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