Waiting
登录处理中...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Multimodale signalen voor het analyseren van de pijn reacties op thermische en elektrische Stimuli

Published: April 5, 2019 doi: 10.3791/59057
Automatic Translation
1, 2, 3, 2, 1, 3, 1
1Department of Medical Psychology, Ulm University, 2Department of Individual Differences and Psychological Assessment, Ulm University, 3Department of Neuro-Information Technology, University of Magdeburg

Summary

Dit artikel is gericht op de experimentele verdieping van pijn door middel van warmte (thermische) en elektrische stimulatie tijdens het opnemen fysiologische, visuele en paralinguistic reacties. Het is gericht op het verzamelen van geldige multimodale gegevens voor het analyseren van pijn op basis van haar intensiteit, kwaliteit en duur.

Abstract

De beoordeling van pijn berust meestal op methodes die vereisen een persoon om te communiceren. Voor mensen met cognitieve en verbale waardeverminderingen zijn bestaande methoden echter niet voldoende omdat ze gebrek aan betrouwbaarheid en validiteit. Om de aanpak van dit probleem, recente onderzoek richt zich op een beoordeling van de objectieve pijn vergemakkelijkt door de parameters van de reacties die zijn afgeleid van fysiologie, en video- en audiosignalen. Ontwikkeling van betrouwbare geautomatiseerde pijn herkenning systemen, zijn er inspanningen verricht in het maken van multimodale databases te analyseren van pijn en geldig pijn patronen kunt ontdekken. Terwijl de resultaten veelbelovend zijn, richten zij alleen op differentiërende pijn of pijn intensiteiten versus geen pijn. Om dit verder, moet onderzoek ook overwegen de kwaliteit en de duur van de pijn als ze extra waardevolle informatie voor meer geavanceerde pijnbeheersing opleveren. Ter aanvulling van de bestaande databases en de analyse van pijn met betrekking tot de kwaliteit en lengte, stelt dit document een psychofysiologische experiment om te ontlokken, meten en verzamelen van geldige pijn reacties. Deelnemers zijn onderworpen aan pijnlijke stimuli die in intensiteit (lage, gemiddelde en hoge), duur verschillen (5 s / 1 min), en modaliteit (warmte / elektrisch pijn) terwijl het audio, video (bijv. mimiek, gebaren van het lichaam, temperatuur van de huid van het gelaat), en fysiologische signalen (bijvoorbeeld Elektrocardiogram [ECG], huid huidgeleiding niveau [SCL], gezicht elektromyografie [EMG] en EMG van M. trapezius) worden vastgelegd. De studie bestaat uit een kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd om te bepalen van een onderwerp individuele pijn variëren (van lage tot ondraaglijke pijn) en een stimulatiekuur in welke pijn stimuli, afhankelijk van de gekalibreerde bereik, worden toegepast. De verkregen gegevens kunnen verfijnen, verbeteren en het evalueren van geautomatiseerde systemen op het gebied van de beoordeling van een objectieve pijn. Voor de verdere ontwikkeling van dergelijke systemen en te onderzoeken van de pijn reacties in meer detail, extra pijn modaliteiten zoals druk, moet chemische of koud pijn worden opgenomen in toekomstige studies. Geregistreerde gegevens van dit onderzoek zal worden vrijgegeven als de "X-ITE pijn Database".

Introduction

Pijn is een zeer persoonlijke en onaangename sensatie die door iedereen anders wordt waargenomen. Het duurt van seconden tot maanden en kan variëren in zijn kwaliteit (kloppend, scherp, branden, etc.). Als onvoldoende behandeld, pijn invloeden van fysieke en psychologische functies van het lichaam, vermindert de kwaliteit van leven, en draagt het risico van een chronische aandoening geworden. In klinische zorg is de correcte inschatting van de intensiteit van de pijn en de kwaliteit zeer relevant zijn voor het verstrekken van de succesvolle pijn management1,2. Gouden standaard methoden voor de beoordeling van de pijn, zoals de visuele analoge schaal (VAS), de numerieke rating schaal (NRS) of de McGill pijn vragenlijst3, vertrouwen op zelf rapporten van patiënten en daarmee het werk van slechts voldoende met cognitief en verbaal onberispelijke personen. Derhalve vastgesteld die alle methoden gebrek aan validiteit en betrouwbaarheid als het gaat om de pasgeborenen4, ijlen, ingeslapen, ingetogen, of geventileerde patiënten5, of mensen die lijden aan dementie6,7. In aanvulling op of als alternatief voor zelfrapportage schalen, zijn methoden voor het meten van pijn door middel van observatie door geschoold personeel (bijvoorbeeld de Zurich waarneming pijn beoordeling8 of de abdij pijn schaal9) ontwikkeld in de afgelopen jaren. Niettemin, zelfs deze hulpprogramma's lijden aan beperkingen in betrouwbaarheid en validiteit, aangezien ook getrainde beoordelaars een objectieve beoordeling niet kunnen waarborgen. De toepassing is bovendien vaak te tijdrovend voor klinisch personeel wanneer pijn beoordeling op een regelmatige basis gebeuren moet.

Verschillende onderzoeksteams hebben gericht op de ontwikkeling van de geautomatiseerde pijn herkennen systemen, waardoor voor het meten van pijn door middel van fysiologische, visuele, en/of paralinguistic signaal ingesteld als nieuwe methoden voor de evaluatie en de controle van de pijn en de intensiteiten objectief. Eerdere studies veelbelovende resultaten in opsporen en differentiatie van de pijn10,11,12,13,16,17,18 weergeven of discriminerende pijn van basisemoties14,15 , uitsluitend op basis van het signaal ingesteld10,11,12,13,14, 15 , evenals op een combinatie/fusion16,17,19 van de sets. De modaliteiten van de bovengenoemde reageren bijna autonoom op stressvolle prikkels zoals pijn. Het gebruik van hen heeft het voordeel dat zij vereisen niet iemands vermogen om te melden zijn/haar pijn. Deze personen zouden sterk profiteren van een objectieve pijn erkenningssysteem waarin dergelijke modaliteiten. Data sets bestaande uit reacties op pijn ontlokte bieden waardevolle informatie voor het analyseren van de patronen van de pijn en de ontwikkeling van praktische toepassingen voor de opsporing en controle van de pijn. Walter et al.20 gemaakt o.a. de "BioVid warmte pijn Database", een multimodale database die publiekelijk beschikbaar is en biedt gegevens uit kort geïnduceerde pijnlijke warmte stimuli en bijbehorende psychofysiologische en visuele reacties. De "SenseEmotion-Database" van Velana et al.21 bevat biosignals, video's, en paralinguistic informatie van vrijwilligers beïnvloed door phasic warmte pijn en emotionele stimuli.

Terwijl deze databases geschikt zijn voor de behandeling van pijn reacties, zijn ze meestal gebaseerd op één specifieke pijn-model. Zoals pijn in kwaliteit (vermoedelijk afhankelijk van het model van de pijn) en in de duur verschilt, het ook kan verschillen in de fysiologische, visuele en paralinguistic correleert. Tot de beste van de auteurs kennis bestaan geen multimodale studies of databases die twee of meer pijn modellen combineren en variëren van pijn prikkels in intensiteit en duur om niet alleen pijn patronen kunt ontdekken maar ook onderscheid worden gemaakt tussen de kwaliteiten van de pijn.

In deze paper wordt een protocol over hoe doe een complexe psychofysiologische experiment om het uitlokken van pijn en tegelijkertijd record fysiologische reacties (bijv. ECG, EMG van de Musculus trapezius, corrugator superciliien zygomaticus grote, SCL) en audiogegevens en video (bijv. mimiek, gebaren van het lichaam, temperatuur van de huid van het gelaat). Deelnemers worden gestimuleerd met korte (phasic) en meer duurzame (tonica) warmte en pijn van de elektrische stimuli die in intensiteit verschillen. Een kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd voorafgaand aan het experiment bepaalt pijn drempels voor elk onderwerp afzonderlijk.

De studie is gericht op het verzamelen van multimodale gegevens voor het onderzoeken van de pijn (patronen) met betrekking tot de intensiteit, de kwaliteit en de lengte door middel van statistische methoden, machine learning algoritmen, enz. Bovendien, is de reeds verzamelde gegevens gepland om te worden bekendgemaakt voor doeleinden van academisch onderzoek onder de naam "X-ITE (Experimentally iknduced Thermal en Electrical) pijn Database". Het kan uitbreiden van de bestaande databases, zoals de BioVid warmte pijn en SenseEmotion20,21, en bijdragen aan de verdere ontwikkeling, verbetering en/of evaluatie van geautomatiseerde pijn herkenning systemen op het gebied van geldigheid, betrouwbaarheid en real-time erkenning.

De rest van het papier wordt georganiseerd op de volgende manier. Het protocol wordt beschreven hoe de pijn verdieping studie stap voor stap uit te voeren. De representatieve resultaten presenteren dan de uitkomst van het experiment. Tot slot, de discussie heeft betrekking op kritische stappen, beperkingen en voordelen van de studie, gevolgd door suggesties voor toekomstige uitbreidingen.

Protocol

De studie werd uitgevoerd overeenkomstig de ethische richtsnoeren in de World Medical Association verklaring van Helsinki vastgelegde (ethisch comité goedkeuring was verleend: 196/10-UBB/bal) en goedgekeurd door de ethische commissie van de Universiteit van Ulm ( Helmholtzstraße 20, 89081 Ulm, Duitsland).

1. onderwerp van de werving en selectie

  1. Het werven van een gelijk aantal gezonde vrouwelijke en mannelijke proefpersonen tussen 18 en 50 jaar door middel van affiches, hand-outs, lokale pers advertenties en sociale media om een meestal algemene monster. Adverteren op het wetenschappelijke voordeel van de studie en een monetaire compensatie bieden. Bieden van telefoonnummer of e-mailadres te contacteren voor verdere informatie.
    Opmerking: Leeftijd-gerelateerde effecten in pijngevoeligheid zijn goed gerapporteerde22 en moeten worden gezien in de steekproef. Om te voorkomen dat daarmee de resultaten met de effecten van de leeftijd, kiezen we voor een jongere groep beschouwd door Lautenbacher et al.22.
  2. Uitsluiten van mogelijke onderwerpen die voldoet aan een van de volgende criteria: lijden aan chronische pijn, depressie, of een geschiedenis van psychiatrische stoornissen; neurologische aandoeningen, hoofdpijn-syndroom, of hart-en vaatziekten; regelmatig nemen van pijn medicatie of met behulp van pijnstillers direct voordat het experiment.

2. algemene voorbereidingen van het experiment van de verdieping pijn

Opmerking: De pijn verdieping experiment bestaat uit twee stoffelijk opeenvolgende delen: het deel van de kalibratie en de pijn stimulatie deel. Het kalibratie deel bepaalt een deelnemer individuele pijngrens en pijn tolerantieniveau op het gebied van thermische en elektrische prikkels. De pijn stimulatie deel voert de inductie van de pijn aangepast aan de individuele drempels. Elk onderdeel van het experiment vindt plaats in een andere kamer: de kamer van de kalibratie en de laboratoriumruimte. De kalibratie kamer dient ook als een controle ruimte voor de experimentator tijdens de stimulatie van pijn deel (Zie Figuur 1).

Figure 1
Figuur 1 : Schematische weergave van kamer setup. Rechts ziet u de kalibratie/controle kamer, waar het deel van de kalibratie plaatsvinden. Later dient het ook als een signaal controle kamer tijdens de stimulatie pijn, die volgt op het deel van de kalibratie. De linkerzijde bevat de laboratoriumruimte waar het pijn stimulatie deel plaatsvindt. Beide kamers zijn verbonden door een conduit pijp, die de thermode, de elektroden kabel van de elektrische stimulator en computer draden kan worden doorgegeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

  1. Ben blij met de aankomende onderwerp en haar/hem leiden tot de kalibratie-kamer. De deelnemer in detail informeren over het experiment 3 h en de mogelijkheid van opzegging te allen tijde zonder negatieve gevolgen. Verkrijgen van een schriftelijke toestemming voor het experiment en een schriftelijke bevestiging dat geen van de uitsluiting criteria gelden. Bereiden een ontvangst en de monetaire compensatie.
  2. CE-markering stimulatoren waarmee inducerende zeer beheerste thermische en elektrische stimuli gebruiken. Gebruik analoge-naar-digitaal convertors dat omzetten van de analoge thermische en elektrische prikkels in digitale signalen om vast te leggen. Zet de thermische en de elektrische stimulator.
  3. Dienst voor de kalibratie en het grootste deel van het experiment, juiste software, waarmee de manuele en/of automatische triggering van thermische en elektrische stimuli. Start de software van de thermische en elektrische stimulator. Bereiden van potlood en papier Noteer stimuli intensiteiten en de bijbehorende pijn intensiteiten gemeld door de deelnemer.
  4. Laat het onderwerp comfortabel zitten op een stoel met een rechterpagina armleuningen. Plaats een afgedrukte rating schaal gaande van 0 tot 100 in stappen van 5 met de links, anker punt 0/geen pijn en aan de rechterkant, fixeerpunt 100/ondraaglijke pijn voor het onderwerp. Instrueer het onderwerp verbaal Beoordeel de intensiteit van de pijn van een prikkel onmiddellijk gevraagd om dit te doen, met behulp van de schaal verstrekt. Nauwkeurig verklaren dat alleen nul betekent "geen pijn" terwijl 100 gelijk is aan een stimulans die niet meer worden getolereerd.
    Opmerking: In deze studie, "pijn tolerantie" wordt verstaan de intensiteit van een prikkel die een onderwerp kan niet meer, dragen hier betekenis: niet meer tolereren. Dus, het ankerpunt 100 is gemarkeerd als ondraaglijke pijn in tegenstelling tot een numerieke rating schaal gebruikt in de klinische praktijk.

3. kalibratie van de elektrische pijn drempel en tolerantie (delen 1 en 2)

Opmerking: Slechts één experimentator moet het deel van de kalibratie om te minimaliseren van de sociale gevolgen voor de pijngevoeligheid voeren. Kies een experimentator met hetzelfde geslacht als de deelnemer om te minimaliseren van de effecten van de Kruis-seks op pijn gevoeligheid23. Deel 1 bepaalt pijngrens en tolerantie in termen van korte (phasic) elektrische prikkels en deel 2 in termen van langere duurzame (tonica) elektrische prikkels. Deze waarden dienen als basis voor de berekening van de phasic en tonic elektrische pijn stimuli toegepast in het deel van de stimulatie pijn.

  1. Reinig de huid van de deelnemer van de juiste index en de middelste vinger met alcohol oplossing. Plaats een wegwerp Ag/AgCl-elektrode (huid contact grootte: 34 mm diameter) op de bovenzijde van het tussenliggende kootje van de rechter wijsvinger (anode) en een andere op de bovenzijde van het proximale kootje van de juiste middelvinger (kathode). De elektroden aansluit op de elektrische stimulator.
  2. Vraag het onderwerp om te rusten van hun rechter arm comfortabel op de armsteun en hen te voorzien van instructies voor de volgende procedure.
    Nota: Hier is een voorbeeld van hoe ze formuleren de instructie voor de elektrische kalibratie-deel 1: "u gaan ervaren korte elektrische stimuli van verschillende intensiteiten. We beginnen met een zeer lage intensiteit. Ten eerste, bent u verplicht om aan te geven van de eerste keer dat u een lage pijn. Dit zal uw 'pijngrens'. Om te bepalen deze drempel, zal ik beginnen een elektrische prikkel, en kort voordat het eindigt, I 'm gonna zeggen 'Nu'. Wanneer dit gebeurt, moet u onmiddellijk melden de prikkel was pijnlijk of niet door het cijfer op een schaal van nul tot honderd. Als de prikkel niet pijnlijk was, rapporteer 'Nul.' Ik zal vervolgens verder met een grotere intensiteit. Na de eerste keer dat u een getal groter dan nul melden, ik zal verminderen de intensiteit van een paar niveaus en we de hele procedure herhalen totdat u een getal groter dan nul opnieuw aangeven. Wij doen dit voor het valideren van de 'pijngrens'. Na dat, zal ik Verhoog langzaam de intensiteit tot het punt waar u tarief de prikkel met 'Honderd', wat betekent dat je niet tolereren of de pijn niet meer staan. Dit zal uw 'pijn tolerantie Level'. Nogmaals, voor het valideren van dit niveau, zal ik terug een paar niveaus en zullen we de procedure herhalen totdat u verslag 'Honderd' voor de tweede keer. Zodra je zegt 'Honderd', zal ik onmiddellijk stoppen de stimulus.'
  3. Elektrische kalibratie deel 1 te beginnen door het starten van een prikkel van 0,5 mA (400 V) met een duur van 5 s door te klikken op de knop start van de elektrische stimulator (software).
    Opmerking: Elke elektrische prikkel van de elektrische kalibratie deel 1 heeft een duur van 5 s. De prikkel bestaat uit 100 één elektroshocks van 2 ms duur, elk gelijkelijk verdeeld over de 5 s.
    Let op: De elektrische kalibratie altijd begint met 0,5 mA en een cutoff tot 25 mA om bewusteloosheid en levensbedreigende situaties te voorkomen.
  4. "Now" zeggen op de 4e tweede van de stimulus. Noteer het nummer van de onderwerp verslagen voor de overeenkomstige stimulans intensiteit. Voeren van een onderbreking van 10 s lange.
  5. Als het onderwerp nul verslagen, verhoogt u de intensiteit door 0,5 mA, start de stimulus en ga terug naar stap 3.4. Anders, het verminderen van de intensiteit met 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starten de stimulus en gaat u terug naar stap 3.4. Wanneer het onderwerp een getal groter dan nul voor de tweede keer rapporteert, berekent het gemiddelde van de twee intensiteiten overeenkomt met nul, schrijf het op en markeren als "phasic elektrische pijngrens" (pEPTh). Ga daarna verder met stap 3.6.
  6. Verhoging van de stroomsterkte door 0,5 mA en start de stimulus.
  7. "Now" zeggen na 4 s van het starten van de stimulus. Noteer het nummer van de onderwerp verslagen voor de overeenkomstige stimulans intensiteit. Pauze voor 10 s.
  8. Als het onderwerp waarde lager is dan 100 verslagen, verhoogt u de intensiteit door 0,5 mA, start de stimulus en ga terug naar stap 3.7. Anders, het verminderen van de intensiteit met 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starten de stimulus en gaat u terug naar stap 3.7. Wanneer het onderwerp 100 voor de tweede keer meldt, berekent het gemiddelde van de twee intensiteiten overeenkomt met 100, schrijf het op en markeer deze als "phasic elektrische pijn tolerantie" (pEPTo). Ga verder met stap 3.9.
  9. De deelnemer te informeren over deel 2 van de elektrische kalibratie.
    Nota: Dit is een mogelijke instructie voor elektrische kalibratie deel 2: "opnieuw beginnen we met een lage intensiteit, maar ditmaal de prikkels zullen langer. I 'm gonna zeggen 'Nu' twee keer, vlak na het begin en kort voor het einde van een stimulans. Elke keer als ik zeg 'Nu', deed u verslag een aantal als u in het eerste deel. Na de eerste keer dat u een getal groter dan nul melden, ik zal verminderen de intensiteit van een paar niveaus en we de hele procedure herhalen voor validatie doeleinden, totdat u een getal groter dan nul opnieuw aangeven. Na dat, zal ik langzaam het verhogen van de intensiteit tot het punt waar u de stem van de stimulus met 'Honderd'. Nogmaals, voor het valideren van deze drempel, ik kom terug een paar niveaus en zullen we de procedure herhalen totdat u verslag 'Honderd' voor de tweede keer. Zodra je zegt 'Honderd', zal ik onmiddellijk stoppen de stimulus.'
  10. Elektrische kalibratie deel 2 beginnen door op te starten een stimulans van 0,5 mA (400 V) met een duur van 10 s door te klikken op de knop start van de elektrische stimulator (software).
    Opmerking: Elke elektrische prikkel van de elektrische kalibratie deel 2 heeft een duur van 10 s. De prikkel bestaat uit 200 één elektrische schokken van 2 ms voor duur, elke, gelijkelijk verdeeld over de 10 s.
  11. "Now" zeggen na 1 s van het starten van de stimulus. Noteer het nummer van de onderwerp verslagen voor de overeenkomstige stimulans intensiteit. Zeggen "Now" 1 s voordat de stimulans uiteinden en, nogmaals, noteer het nummer van het onderwerp nu rapporten voor de overeenkomstige stimulans intensiteit. Pauze voor 10 s.
  12. Als de certificaathouder verslagen allebei nul, verhoogt u de intensiteit door 0,5 mA, start de stimulus en ga terug naar stap 3.11. Anders, het verminderen van de intensiteit met 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starten de stimulus en gaat u terug naar stap 3.11. Wanneer het onderwerp een getal groter dan nul voor de tweede keer rapporteert, berekent het gemiddelde van de twee intensiteiten overeenkomt met nul, schrijf het op en markeer deze als "tonicum elektrische pijngrens" (tEPTh). Ga daarna verder met stap 3.13.
  13. Verhoging van de stroomsterkte door 0,5 mA en start de stimulus.
  14. "Now" zeggen na 1 s van het starten van de stimulus. Noteer het nummer van de onderwerp verslagen voor de overeenkomstige stimulans intensiteit. Zeggen "Now" 1 s vóór het einde van de stimulus. Nogmaals, noteer het nummer het onderwerp nu rapporten voor de overeenkomstige stimulans intensiteit. Pauze voor 10 s.
  15. Als de certificaathouder verslagen allebei onder 100, verhoogt u de intensiteit door 0,5 mA, start de stimulus en herhaal stap 3.14\u20123.15. Anders als de certificaathouder rapporten precies 100, verminderen de intensiteit met 1,5 mA (minimum: 0,5 mA), starten de stimulus en herhaal stappen 3.14\u20123.15. Wanneer het onderwerp 100 voor de tweede keer meldt, berekent het gemiddelde van twee intensiteiten overeenkomt met 100, schrijf het op en markeer deze als "tonicum elektrische pijn tolerantie" (tEPTo). Ga vervolgens verder met stap 3.16.
  16. Koppel de elektroden van de elektrische stimulator en verwijder beide Ag/AgCl elektrodes uit de vingers van de deelnemer. Reinig de vingers met alcohol oplossing voor het afwassen van de elektrode gel blijft.

4. kalibratie van de thermische pijn drempel en tolerantie (delen 1 en 2)

Opmerking: De thermische pijn kalibratie is verdeeld in twee delen. Deel 1 bepaalt pijn drempel en tolerantie in termen van korte (phasic) thermische prikkels en deel 2 doet in termen van langere duurzame (tonica) thermische prikkels. Deze waarden dienen als basis voor de berekening van de phasic en tonic thermische pijn stimuli toegepast tijdens de stimulatie pijn.

  1. Het toepassen van een 30 x 30 mm thermode aan de bovenzijde van de certificaathouder rechter onderarm, ongeveer 30 millimeter proximale aan de pols, door een riem met haak-en-loop bevestiger. Vraag het onderwerp om te rusten van hun rechter arm comfortabel op de armsteun.
    Opmerking: Een thermode is de sonde/onderdeel van de thermische stimulator die is aangesloten op de huid van het onderwerp en induceert de daadwerkelijke thermische stimulus.
  2. Het onderwerp te informeren over de procedure van de thermische kalibratie deel 1.
    Opmerking: Mogelijk een formulering voor de instructie voor thermische kalibratie deel 1: "u nu gaan ervaren korte maar constante thermische stimuli van verschillende intensiteiten. We beginnen met een temperatuur net boven uw lichaamstemperatuur. Een thermische stimulans zal beginnen en kort voordat het eindigt, wil ik 'Nu'. Wanneer dit gebeurt, moet u snel melden de prikkel was pijnlijk of niet volgens rating het op een schaal van nul tot honderd, net als je deed in het deel van de elektrische kalibratie. Op dezelfde manier als de prikkel niet pijnlijk was, rapporteer 'Nul.' Ik zal vervolgens verder met een grotere intensiteit. Er is altijd een pauze van een paar seconden tussen twee prikkels. De kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd is volbracht wanneer u melden 'Honderd' of de cutoff temperatuur is bereikt."
  3. Thermische kalibratie deel 1 beginnen door een prikkel van 39 ° C te starten met een duur van 5 s door te klikken op de knop start van de thermische stimulator (software).
    Let op: De thermische kalibratie deel 1 heeft een cutoff temperatuur van 50 ° C om te voorkomen dat de huid brandwonden.
    Opmerking: Elke thermische stimulans van de thermische kalibratie deel 1 heeft een duur van 5 s.
  4. Zeggen "Now" tijdens de 4e tweede van de stimulus. Noteer het nummer van de intensiteit dat het onderwerp voor de overeenkomstige temperatuur geeft. Pauze voor 10 s.
  5. Als de aanduiding van het onderwerp lager dan 100 is, verhogen van de temperatuur met 1 ° C, start de stimulus en herhaalt u stappen 4.4\u20124.5. Anders, als de vermelding 100 is, of de cutoff temperatuur van 50 ° C is bereikt, beëindigen thermische kalibratie deel 1 door verder te gaan met de volgende stap.
  6. Controleer de bekende nummers en mark de eerste temperatuur met een overeenkomstige intensiteit getal groter dan nul als "phasic warmte pijngrens" (pHPTh). Mark van de temperatuur met vermelding van 100 als "phasic warmte pijn tolerantie" (pHPTo).
    Opmerking: Als het onderwerp meldt een getal onder de 100 op de cutoff temperatuur (50 ° C), markeer 50 ° C als pHPTo.
  7. De deelnemer te informeren over deel 2 van de thermische kalibratie.
    Nota: Hier is een voorbeeldige formulering voor de instructie voor deze thermische kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd: "We beginnen met een temperatuur boven uw lichaamstemperatuur, maar ditmaal de thermische prikkels zullen langer. Ik zal zeggen 'Nu' twee keer: direct na het begin en kort voor het einde van de stimuli. Elke keer als ik zeg 'Nu', verslag u een getal dat gelijk is aan uw pijn-ervaring. Als de prikkel niet pijnlijk was, rapporteer 'Nul.' Ik zal vervolgens verder met een verhoogde temperatuur. Er is altijd een pauze van een paar seconden na elke stimulans. De kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd is volbracht wanneer u melden 'Honderd' of de cutoff temperatuur is bereikt."
    Let op: De thermische kalibratie deel 3 heeft een cutoff temperatuur van 49,5 ° C om te voorkomen dat de huid brandwonden, als gevolg van de langere duur van de prikkel.
  8. Beginnen met thermische kalibratie deel 2 met een stimulans van 39 ° C gedurende 10 s lang door te klikken op de knop start van de thermische stimulator (software).
    Opmerking: Elke thermische stimulans van de thermische kalibratie deel 2 heeft een duur van 10 s.
  9. "Now" zeggen na 1 s van het starten van de stimulus. Noteer het nummer van de intensiteit het onderwerp voor de overeenkomstige temperatuur verslagen. Zeggen "Now" 1 s vóór het einde van de stimulus. Nogmaals, noteer het nummer van de intensiteit dat het onderwerp nu voor de overeenkomstige temperatuur rapporten. Pauze voor 60 s.
  10. Als beide aanduidingen van het onderwerp onder de 100, de temperatuur te verhogen met 1 ° C (uitzondering: Zie de onderstaande opmerking), starten de volgende prikkel en herhaal stap 4.16. Anders, als om het even welk van de verslagen is precies 100 of de cutoff temperatuur van 49,5 ° C is bereikt, beëindigen thermische kalibratie deel 2 door verder te gaan met de volgende stap.
    Opmerking: In deze kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd, de temperatuur stappen zijn: 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. Controleer de bekende nummers en markeert de eerste temperatuur waarop ten minste één van de overeenkomstige getallen groter dan nul als "tonische warmte pijngrens is" (tHPTh). Mark van de temperatuur met een eerste bekende verslag van 100 als "tonische warmte pijn tolerantie" (tHPTo).
    Opmerking: Als het onderwerp meldt beide nummers onder 100 op de cutoff temperatuur (49,5 ° C), mark 49,5 ° C als tHPTo.
  12. Verwijder de thermode uit de oksels van de deelnemer. Vraag het onderwerp of zij moeten een korte pauze en/of willen gebruiken van de sanitaire voorziening. Voer de instructies beschreven in aanvullende bestand 1een selectievakje uit indien de deelnemer geschikt voor de pijn stimulatie deel in termen van thermische prikkels is om.

5. bereiding van de pijn stimulatie experiment

  1. Gedrag de stimulatie van pijn in een camera gecontroleerde temperatuurregeling en geluidsarme laboratoriumruimte naast de kalibratie/controle kamer (Zie Figuur 1). Sluit beide kamers via een conduit pijp (diameter van 80 mm).
    Opmerking: Camera bewaking vindt u informatie over de gezondheidsstatus van het onderwerp en zorgt voor snelle interventie in geval van plotselinge bewusteloosheid of bloedsomloop ineenstorting.
  2. Instellen van een onderzoek-bank waarop het onderwerp tijdens het experiment ligt. Plaats het met de lange zijde tegen een muur in de buurt van de pijp conduit. Een kussen voor het hoofd bieden.
  3. Hechten van een spiegel aan de muur naast de Bank van de onderzoek waar het hoofd van het onderwerp zal rusten.
  4. Voor het vastleggen van fysiologische gegevens (ECG, 3 x EMG en SCL), thermische en elektrische Spierstimulator uitgangen tijdens het experiment, audio en video's (frontale en zijdelingse weergave van het gezicht, de temperatuur van de huid van het gelaat en de weergave van een volledige lichaam) passende opname computers gebruikt, software en opname-apparaten (een biosignal-recorder, drie hoge-resolutie kleuren camera's, een thermische camera en een directionele microfoon).
    1. Een oplossing voor het synchroniseren van de opgenomen modaliteiten ontwikkelen. Het kan bestaan uit een hardware triggering van apparaten, een opname van trigger signalen door de biosignal en audio recorders, kloksynchronisatie van de computer (bijvoorbeeld via NTP) en een opname van tijdstempels samen met de gegevensstromen, en naverwerking van de vastgelegde gegevens streams om te compenseren voor tijdelijke verschuiving en klok drift.
  5. Installeer de volledige lichaam weergave camera op een manier dat het vangt het hele lichaam van het onderwerp. Installeer de frontale gezicht weergave camera ongeveer 1 m boven het hoofd van de deelnemer. Monteer de microfoon op de linker- en de thermische camera aan de rechterkant, naast de frontale gezicht camera. Bevestig de side view camera aan het plafond. Aanpassen aan een punt waar het is kundig voor opnemen van één kant van de certificaathouder gezicht, evenals de andere kant tot uiting in de spiegel (Zie Figuur 2).

Figure 2
Figuur 2: schematische weergave van camera en microfoon setup. De frontale gezicht camera, thermische camera en microfoon worden ingesteld van ca. 1 m boven het hoofd van de deelnemer. Een kant weergave camera neemt beide kanten van het gezicht met behulp van een spiegel. Een lichaam weergave camera gemonteerd aan de muur zorgt voor de opname van lichaamsbeweging. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Opmerking: Als gevolg van een kleine laboratoriumruimte, een kant technische camera te combineren met een spiegel is een zeer elegante oplossing voor het opnemen van beide zijden van de certificaathouder gezicht met slechts één camera.

  1. Dubbele de grafische output van de computer opnemen biosignal op een computermonitor instellen op de kalibratie/controle kamer
  2. Actieve PC-luidsprekers op de kalibratie/controle kamer instellen. Via de pijp van de geleider met de audio-opname-computer moet aansluiten. Zorg ervoor dat te horen van de deelnemer via de microfoon in het geval dat zij hulp tijdens het experiment nodig hebben.
  3. De thermode en de elektroden kabel van de elektrische stimulator door de geleider buis aan de laboratoriumruimte doorgeven. Put samengevouwen akoestisch schuim in beide zijden van de pijp conduit (of een soortgelijk materiaal dat geluid absorbeert).
    Opmerking: Laat de thermische stimulator in de kalibratie/controle kamer. Het vervuilt het audiosignaal opname als gevolg van regelmatig beginnen haar interne ventilator om te koelen.
  4. Stel de opname samplingfrequenties als volgt: (a) audio op 44,1 kHz; (b) frontale en kant bekijken camera's 25 Hz; (c) een volledige lichaam technische camera bij 30 Hz; (d) thermische camera bij 120 Hz; (e) SCL, EMG en ECG bij 1000 Hz. opslaan alle instellingen.
  5. Krijgen van een koude gel pack (100 x 100 mm) en zet het in een vriezer. Bereiden een 200 x 200 mm hygiënische vlies handdoek of iets dergelijks (bv een dun papier handdoek) en een zalf.
  6. 12 individuele prikkel intensiteiten, zes voor de warmte- en elektrische pijn inductie, als volgt berekend: (a) phasic elektrische pijn intensiteit 3 (pE3) = 90% van de pEPTo; (b) phasic elektrische pijn intensiteit 2 (pE2) = (pE3 + pEPTh) / 2; (c) phasic elektrische pijn intensiteit 1 (pE1) = pEPTh; (d) tonic elektrische pijn intensiteit 3 (tE3) = 90% van de tEPTo; (e) tonic elektrische pijn intensiteit 2 (tE2) = (tE3 + tEPTh) / 2; (f) tonic elektrische pijn intensiteit 1 (tE1) = tEPTh; (g) intensiteit van de pijn phasic serie 3 (pH3) = pHPTo - 0,5 ° C als het onderwerp gerapporteerd 100 voor pHPTo — anders, pH3 = pHPTo; (h) intensiteit van de pijn phasic serie 2 (pH2) = (pH3 + pHPTh) / 2; (i) phasic warmte pijn intensiteit 1 (pH1) = pHPTh; (j) tonic warmte pijn intensiteit 3 (tH3) = tHPTo - 0,5 ° C als het onderwerp gerapporteerd 100 voor tHPTo — anders, tH3 = tHPTo; (k) tonic warmte pijn intensiteit 2 (tH2) = (tH3 + tHPTh) / 2; (l) tonic warmte pijn intensiteit 1 (tH1) = tHPTh.
  7. Voer de waarden van de phasic elektrische (pE1\u2012pE3) en de warmte pijn intensiteit (pH1\u2012pH3) en de tonic elektrische (tE1\u2012tE3) en warmte van de intensiteit van de pijn (tH1\u2012tH3) — berekend in stap 5.11 op basis van de kalibratie uitgevoerd volgens de afdelingen 3 en 4 — in de software van de thermische en elektrische stimulator. Stel de temperatuur van de basislijn (geen pijn) tot 32 ° C en de temperatuur stijgingspercentage tot 8 ° C/s. alle instellingen opslaan.
  8. Gebruik een scripting taal gebaseerde computersoftware, die met de thermische en elektrische stimulator communiceert. Zorg ervoor dat het zorgt voor controle en triggering pijn prikkels op basis van een script pijn verdieping.
    Opmerking: Een pijn verdieping script activeert de gerandomiseerde pijn stimuli en besturingselementen timing en duur. In deze studie biedt de software van de thermische stimulator de mogelijkheid voor het opstellen van een pijn verdieping script. De software activeert thermische stimuli automatisch en verzendt signalen wanneer een elektrische prikkel zal worden geactiveerd. Elektrische prikkels worden getriggerd door een script in een tweede software voorbereid.
  9. Voorbereiden van de pijn organisatiekennis script als volgt (Zie Figuur 3). Het nummer van de intensiteit van elke phasic stimulans (pE1, pE2, pE3, pH1, pH2en pH3) ingesteld op 30 en het nummer van elke tonic stimulans intensiteit (tE1tE2, tE3, tH1tH2en tH3) 1. De duur van elke phasic stimulus ingesteld op 5 s en de duur van elke tonic stimulans tot 60 s. Randomize de volgorde van alle stimuli. De pauzes tussen de phasic prikkels om 8 – 12 s. Set randomize de pauzes na de tonic prikkels tot 300 s. alle instellingen opslaan.
    Opmerking: Als gevolg van de langere duur, het nummer van de verschillende tonic warmte stimuli is ingesteld op 1 om te voorkomen dat de huid brandwonden. Alle pauzes na tonic prikkels 300 moet s zodat fysiologische signalen terug naar basislijn en, daarmee niet besmetten latere signalen.

Figure 3
Figuur 3: grafische illustratie van de pijn stimulatie part. (A) de script van de verdieping van het voorbeeldige pijn met gerandomiseerde phasic (blauw) en tonic (rood) pijn stimuli. (B) uittreksel uit het pijn verdieping script hierboven: drie phasic prikkels met een tijdsduur van 5 seconden en latere pauzes. De duur van de pauzes varieert tussen 8 en 12 seconden. (pH1, pH2, pH3 = phasic warmte pijn met intensiteit 1, 2, 3; tH1tH2, tH3 = tonic warmte pijn met intensiteit 1, 2, 3; pE1, pE2, pE3 = phasic elektrische pijn met intensiteit 1 , 2, 3; tE1, tE2, tE3 = tonic elektrische pijn met intensiteit 1, 2, 3; s = seconden). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

6. pijn stimulatie

  1. De deelnemer tot de laboratoriumruimte en vertel hen over de aankomende procedure. Het uitleggen van de experimentele opstelling en de functionaliteiten van de instrumenten. Opnieuw het onderwerp te informeren over de mogelijkheid om het experiment op elk gewenst moment afbreken door op een verstrekte noodknop of vragen om te stoppen.
  2. Vraag het onderwerp liggen comfortabel op de Bank onderzoek. Instrueren hen te houden liggend op hun rug tijdens het experiment.
  3. Reinig alle gebieden van de huid waar de elektroden met alcohol oplossing zal worden gehecht. Verwijder eventuele dode huidcellen op het oppervlak van de linker wang, achter het linker oor en boven de linker wenkbrauw met schurende gel. Reclean deze gebieden met een alcohol-oplossing.
  4. Voor de meting van de SCL, moet u twee pregelled, nonpolarizable Ag/AgCl elektrodes aan de onderkant van het distale kootje van de juiste index en middelvinger koppelen door Velcro bandjes. Zorg ervoor dat de bandjes zijn niet te strak. Ze zijn te strak als het onderwerp een kloppend gevoel in de vingertoppen meldt.
  5. Als u het opnemen van het ECG, drie pregelled, zelfklevende Ag/AgCl module elektroden met cirkelvormige contact gebieden (34 mm diameter) te gebruiken. Plaats een elektrode (kathode) op de borst, ongeveer 6 cm onder de juiste sleutelbeen. De tweede plaats een (anode) op de linker negende en tiende rib. De derde elektrode (grond/referentie) aan de rechterkant taille naast het bekkenbeen koppelen.
  6. Als u het opnemen van het EMG van M. trapezius, ook drie pregelled, zelfklevende Ag/AgCl module elektroden met cirkelvormige contact gebieden (34 mm diameter) te gebruiken. Plaats twee elektroden (kathode en anode) naast elkaar op de musculus trapezius links van de hals. De derde plaats een (referentie) hieronder op het linker sleutelbeen.
  7. Zes herbruikbare, afgeschermde Ag/AgCl elektrodes met 4 mm opname diameter gebruiken om te meten de EMGs van M. corrugator supercilii en de M. zygomaticus major. Vul de holtes van de elektroden met gel van het elektrolyt.
    1. Bevestig de elektroden door middel van dubbelzijdig klevende kragen als volgt: voor de corrugator supercilii, plaatst u een elektrode (anode) direct boven de linker wenkbrauw, naast de regel (links) glabella. De tweede elektrode (kathode) 1 cm dwarskrachten op de eerste plaats.
    2. Een derde elektrode (referentie) hechten aan het midden van de voorhoofdsbeen net onder de haargrens. Voor de grote zygomaticus, door een denkbeeldige lijn van de linker mondelinge commissuur naar de linker oorlel te tekenen. Plaats een elektrode (anode) iets onder het midden van de lijn en een tweede één (kathode) 1 cm mediale ernaast. De derde elektrode (referentie) sluit aan op de linker mastoid. Alle elektroden aansluit op de corresponderende ingangen van de biosignal opname-apparaat.
  8. Een visuele check uitvoeren door middel van de biosignal opnamesoftware als alle fysiologische signalen van goede/uitstekende kwaliteit zijn. Vraag het onderwerp te verplaatsen van bepaalde spieren en controleer de respectieve signaal. Aanpassen/verbeteren geen onbevredigende signalen door passende middelen/maatregelen.
  9. Plaats één Ag/AgCl-elektrode (34 mm diameter) op de bovenzijde van het tussenliggende kootje van de linker wijsvinger (anode) en een andere op de bovenzijde van het proximale kootje van de linker middelvinger (kathode). Fixeren de elektroden met medische tape zoals onderwerpen tijdens de procedure zweet misschien, vermindering van de hechting van de elektroden. De elektroden aansluit op de elektrische stimulator.
  10. Het toepassen van de thermode aan de bovenzijde van de certificaathouder linker onderarm ongeveer 30 millimeter proximale aan de pols door een Velcro band. Zorg ervoor dat de riem niet de huid doet samentrekken.
  11. Start alle camera's. Zorg ervoor dat de deelnemer perfect zichtbaar in de camerabeelden. Indien nodig, vraag het onderwerp om aan te passen van de positie. Met name verzorgen van gezichts camera's met een kleine gezichtsveld. Idealiter moet het gezicht in het midden van de afbeelding aan het risico dat de deelnemer het hoofd uit het gezichtsveld tijdens het experiment beweegt.
  12. Controleer of de microfoon is op en het opnamevolume bevredigend is.
  13. Vraag het onderwerp als ze nog vragen heeft en als ze klaar voor het experiment is. Instrueren haar handelen volledig natuurlijk en niet te onderdrukken en eventuele pijn reacties tijdens het experiment te overdrijven.
  14. Start alle opname-apparaten (camera's, microfoon, biosignal recorder) voldoet aan eisen voor gegevenssynchronisatie.
  15. Laat de laboratoriumruimte en voer de kalibratie/controle kamer. Wacht 5 minuten zodat fysiologische signalen van het onderwerp te normaliseren. Voer het script van de verdieping pijn.
  16. Zorgvuldig toezicht houden op het onderwerp en de voortgang van het deel van de stimulatie pijn. Noteer eventuele tijdstempels van duidelijk ongewone/onnatuurlijk gedrag, technische problemen of biosignal artefacten als gevolg van extreme beweging, komst-off van de elektroden, enz.
  17. Na het einde van het script van de verdieping pijn, stoppen met alle opname-apparaten. Opslaan/exporteren alle gegevens in een formaat van uw voorkeur. Uitschakelen van de thermische en elektrische stimulator.
  18. Controleer als de deelnemer is in orde en loskoppelen van alle elektroden en de thermode. Reinig alle gebieden van de huid met alcohol oplossing voor het verwijderen van de elektrode gel blijft.
  19. De koude gel-pak te krijgen uit de diepvries en wikkel het in de hygiënische nonwoven handdoek (of iets dergelijks, bijvoorbeeld dunne papieren handdoek). Vraag de deelnemer toe te passen voor ten minste 5 minuten op het huidgebied waar de thermode werd geplaatst.
  20. Het onderwerp de mogelijkheid bieden om hun individuele pijn niveaus gedemonstreerd en uitgelegd.
  21. Toepassing zalf op het huidgebied waar de thermode werd geplaatst.
    Opmerking: Koude gel pack en zalf wordt gebruikt om het risico te (een) roodheid en irritatie van de huid.
  22. Overhandigen van de monetaire compensatie en hebben erkend met een ontvangstbewijs. Contactgegevens in geval van opkomende problemen bevatten. De deelnemer dank en afscheid.
  23. Verwijder de akoestisch schuim aan beide zijden van de conduit pijp. Langs de thermode en de elektroden kabel van de elektrische stimulator terug naar de kalibratie/controle kamer. Beschikken over alle wegwerp elektrodes, alle herbruikbare elektroden van gel blijft schoon en reinigen van de onderzoek-Bank met een geschikt oppervlak sanitizer. Zet de koude gel pack terug in de vriezer.

Representative Results

Pijn anders wordt waargenomen door een persoon en kan zich uiten divers in gezichtsuitdrukkingen, paralinguistic en/of fysiologische signalen. Het ontwerp van deze studie is geschikt voor het analyseren van de pijn reacties op talloze manieren met betrekking tot de onderliggende doelstellingen. De verkregen gegevens kunnen beantwoorden onderzoeksvragen, zoals: zijn er specifieke pijn reactie patronen? Zij verschillen met betrekking tot pijn model en duur?

Een totaal van 134 onderwerpen deelgenomen aan ons experiment. Er was de sex verhouding 50/50. Wij verdeelden hen in de volgende leeftijdsgroepen: 1) 18-29 jaar (N = 49, 23 mannen, 26 vrouwen), 2) 30-39 jaar (N = 45, 23 mannen, 22 vrouwen), 3) 40-50 jaar (N = 40, 21 mannen, 19 vrouwen). De gemiddelde leeftijd van alle onderwerpen was 31,4 (SD = 9.7), van alle mensen = 33,4 (SD = 9.3) en van alle vrouwen = 32,9 (SD = 10.2) jaar. De studie vond plaats op de afdeling medische psychologie van de Universiteit van Ulm, Duitsland.

Het belangrijkste resultaat van dit protocol is een set gegevens voor audio, video en psychofysiologische signalen als gevolg van de onderwerpen reacties op stimuli van de pijn. Tabel 1 geeft een algemeen overzicht over de technische kenmerken van de opgenomen signalen en de nummers van geïnduceerde pijn stimuli in de studie.

Technische kenmerken
Signaal: Sampling-frequentie: Kenmerken:
Audio 44100 Hz Mono, MP3 320 kbps
Camera 1 (gezicht, frontaal uitzicht) 25 Hz Kleur video: resolutie 1384 x 1032,
HEVC gecodeerd met libx265 (CRF 16, preset medium)
Camera 2 (gezicht, zijaanzicht) 25 Hz Kleur video: resolutie 1620 x 840,
HEVC gecodeerd met libx265 (CRF 16, preset medium)
Lichaam Camera ca. 30 Hz Kleur video: resolutie 1500 x 600,
HEVC gecodeerd met libx265 (CRF 16, preset medium);
Diepte video: resolutie 500 x 200, lossless codering
Thermische Camera ca. 120.8 Hz Oppervlaktetemperatuur video: resolutie 120 x 160,
grijswaarden MPEG-4-AVC gecodeerd met libx264
(CRF 0, vooraf ingestelde veryfast),
gecodeerde temperatuurbereik 26,5-52.0 ° C (in stappen van 0,1)
ECG 1000 Hz Hardware gefilterd via BioPac: 35 Hz LP, 0,5 Hz HP,
50 Hz notch filter
SCL 1000 Hz Hardware gefilterd via BioPac: 10 Hz LP, geen HP,
geen notch filter
EMG M. trapezius 1000 Hz Hardware gefilterd via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
geen notch filter
EMG M. corrugator supercilii 1000 Hz Hardware gefilterd via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
geen notch filter
EMG M. zygomaticus grote 1000 Hz Hardware gefilterd via BioPac: 500 Hz LP, 10 Hz HP,
geen notch filter
Prikkels Thermische Elektrische
Onderwerpen: Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s): Phasic Stimuli (5 s): Tonic Stimuli (60 s):
Per onderwerp 90 (30 per intensiteit) 3 (1 per intensiteit) 90 (30 per intensiteit) 3 (1 per intensiteit)
Alle (N = 134) 12060 (4020 per intensiteit) 402 (134 per intensiteit) 12060 (4020 per intensiteit) 402 (134 per intensiteit)
Mannen (n = 67) 6030 (2010 per intensiteit) 201 (67 per intensiteit) 6030 (2010 per intensiteit) 201 (67 per intensiteit)
Vrouwen (n = 67) 6030 (2010 per intensiteit) 201 (67 per intensiteit) 6030 (2010 per intensiteit) 201 (67 per intensiteit)

Tabel 1: technische kenmerken en aantal geïnduceerde stimuli. De bovenste helft (technische kenmerken) toont de samplingfrequenties en kenmerken van de specifieke signalen. De onderste helft (prikkels) toont de nummers van de geïnduceerde specifieke (thermisch/elektrisch) pijn stimuli voor een onderwerp, voor alle vakken en voor elk geslacht. (MP3 = Moving Picture Experts Group Layer-3 Audio, kbps = kilobits per seconde, HEVC = High Efficiency Video Coding, CRF = constante snelheid Factor, MPEG-4-AVC = Motion Picture Experts Group Layer-4 Video Advanced Video Coding, Hz = Hertz, ° C graden Celsius, = s = seconden, ECG = Electrocardiogram, SCL = huid huidgeleiding Level, EMG = elektromyografie, LP = low-pass filter, HP = high-pass-filter, M. = Musculus).

Een secundaire resultaten betreffende de kalibratiefase reeds zijn geïnstalleerd van de studie wordt gepresenteerd in tabel 2. Het toont de gemiddelde stimulatie temperaturen en stromingen van pijn intensiteiten 1 en 3 (zoals berekend in stap 5.11 van het protocol) voor alle onderwerpen en bovendien voor de mannelijke en vrouwelijke deelgroep.

Prikkels Thermische [in ° C] gemiddelde (SD) Elektrische [in Massachusetts] gemiddelde (SD)
Onderwerpen pH1 pH-3 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)
Mannen (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)
Vrouwen (n = 67) 43.51 (2,74) 48.87 (1.39) 41.89 (2.14) 47.59 (0,98) 1.32 (0,75) 4.45 (1.70) 1.43 (1.01) 4,51 (1.80)

Tabel 2: betekenen stimulatie temperaturen en stromingen van pijn intensiteiten 1 en 3. (pH1, pH3 = phasic warmte pijn met intensiteit 1, 3; tH1, tH3 = tonic warmte pijn met intensiteit 1, 3; pE1, pE3 = phasic elektrische pijn met intensiteit 1, 3; tE1, tE3 = tonic elektrische pijn met intensiteit 1, 3; ° C = graden Celsius; mA = milliampere, SD = standaard deviatie).

Als alle stappen van het protocol worden zorgvuldig uitgevoerd en geen technische problemen voordoen (in termen van computer of opname apparaat crashes, enz.), kan een succesvol resultaat lijken zoals afgebeeld in figuur 4. Alle signalen zijn van hoge kwaliteit en niet beïnvloed door externe bronnen van storingen. De deelnemer is duidelijk zichtbaar in elke camera.

Figure 4
Figuur 4 : Voorbeeldgegevens uit een succesvolle experiment. De afbeelding ziet opgenomen signalen een paar seconden vóór, tijdens en na een intense pijn stimulans. Alle signalen worden niet-gefilterd en gesynchroniseerd in de tijd. Voor de duidelijkheid, is alleen vertegenwoordiger screenshots van de video signalen worden hier getoond. (EMG = elektromyografie, SCL huid huidgeleiding niveau, ECG = Electrocardiogram, M=. = Musculus, s = seconden). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Onverwachte incidenten kan echter de gegevens lawaaierige of beschadigd te worden. Naast computer of opname apparaat crasht, de komst-off van elektroden (vooral herbruikbare elektroden met kleine diameter die zijn verbonden door middel van dubbelzijdig klevende kragen) meestal tot onbruikbaar signalen leidt. Als voorbeeld voor een suboptimale gegevensset toont Figuur 5 het moment wanneer een EMG elektrode komt uit en maakt het corresponderende signaal nutteloos.

Figure 5
Figuur 5 : Voorbeeldgegevens uit een suboptimale experiment. De rode cirkel geeft aan dat de tijd tot de EMG elektroden (M. zygomaticus grote) viel de certificaathouder Wang. Dit zou zijn geweest als gevolg van zweet of hoofd beweging. Vanaf dat moment was het signaal verloren. (EMG = elektromyografie, SCL huid huidgeleiding niveau, ECG = Electrocardiogram, M=. = Musculus, s = seconden). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Als gevolg van ethische richtlijnen moest de maximale intensiteiten van thermische en elektrische stimuli worden beperkt. Met betrekking tot thermische kalibratie controle deel (Zie aanvullende bestand), 37 onderwerpen (31 mannen, 6 vrouwen) bereikt de gegeven cutoff van 50,5 ° C (verhouding = 37/134 = 27.61%). Wat thermische kalibratie deel 1, 60 deelnemers (39 mannen, 21 vrouwen) bereikt de cutoff van 50.0 ° C (verhouding 60/134 = = 44.78%) en met betrekking tot deel 2, 57 personen (37 mannen, 20 vrouwen) bereikt de cutoff van 49,5 ° C (verhouding = 57/134 = 42.54%). De cutoff voor beide delen van de elektrische kalibratie was 25 mA. Geen van de 134 onderwerpen bereikt het.

Als we van plan te publiceren van de gegevens (zie volgende paragraaf), de datasets van deelnemers die hebben bereikt de cutoffs zal bovendien worden gemarkeerd en hun subjectieve pijn ratings voor de overeenkomstige cutoffs zullen worden opgenomen.

Wij zouden graag erop wijzen dat de belangrijkste focus van het protocol is het verkrijgen van multimodale signalen voor het analyseren van de thermische en elektrische pijn. Geen andere resultaten worden daarom hier besproken. Na controle en met uitzondering van de verzamelingen van gegevens als gevolg van ontbrekende gegevens of geweigerde schriftelijke toestemming voor het delen van gegevens, zal de datasets van deze studie beschikbaar onder de naam "X-ITE pijn Database" worden gemaakt. Bezoek https://github.com/philippwerner/pain-database-list voor meer informatie over wanneer en hoe te verkrijgen van de X-ITE pijn DB.

Aanvullende bestand 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

Het gepresenteerde protocol is gericht op de experimentele verdieping van thermische (warmte) en elektrische pijn terwijl opname fysiologische, visuele en paralinguistic signalen. Deze nieuwe aanpak, het combineren van twee pijn modellen met verschillende stimuli intensiteit en de duur van twee verschillende prikkels (phasic en tonic), biedt een breed perspectief over de psychofysiologische patronen en uitingen van pijn. Echter voor de realisatie van dit protocol moeten verschillende stappen worden beschouwd.

In het algemeen, als werken met pijn stimuli is het cruciaal om de veiligheid van de proefpersonen. Alle pijn stimuli moeten sterk worden gecontroleerd en moeten alleen worden uitgevoerd door ervaren onderzoekers.
Bovendien, voor de registratie en het verzamelen van betrouwbare en kwalitatief hoogstaande gegevens, de juiste bevestiging van apparaten (elektroden), de perfecte werking van opname-apparaten en een vlotte communicatie tussen computers wordt sterk aanbevolen. Alle bronnen van interferentie moeten worden geëlimineerd of tot een minimum beperkt. Om te garanderen van samenhang tussen deelnemers, is het belangrijk om te voorzien in gestandaardiseerde instructies en onveranderlijke experimentele omstandigheden.

Volgens onze ervaring, het vinden van geschikte deelnemers die aan alle criteria voldoen en willen ontvangen talrijke pijnlijke stimuli, duurt lang en is zeer uitdagend. Naast dat, moet de monetaire compensatie hoog genoeg zijn om aan te trekken van de onderwerpen aan de studie. Vooral personen die reizen tussen 30 en 50 jaar zijn moeilijk te vinden. Dit kan zijn omdat het experiment te is lang (ca. 4 uur, met inbegrip van aankomst en vertrek) en ze hebben een halve dag opstijgen van het werk.

Omdat de veiligheid van de deelnemers topprioriteit, kan pijn inductie moeten worden beperkt. Als gevolg van ethische richtlijnen overschrijden de stimulans intensiteiten bepaalde niveaus Voorkom brandwonden en bewusteloosheid op het gebied van thermische en elektrische pijn inductie, respectievelijk niet. Een algemene cutoff van intensiteit kan resulteren in een plafond effect als sommige vakken de plafonds voor de intensiteit bereiken kunnen voordat het gevoel van ondraaglijke pijn. In deze studie bereikt ongeveer 42% (gelet op thermische kalibratie deel 1 en 2) van de deelnemers de thermische cutoffs (Zie representatieve resultaten). Als ze hun "echte" pijn toleranties niet heeft bereikt, misschien hun fysiologische reacties op de hoogste thermische stimuli anders gedragen in tegenstelling tot de fysiologische reacties van onderwerpen die hen bereikt. Zo ja, het mengen van deze twee groepen classificatie resultaten op het gebied van de erkenning van de pijn te kan beïnvloeden.

Een belangrijk punt naar adres is de pijn modaliteiten in dit experiment. Deelnemers worden onderworpen alleen aan thermische en elektrische pijn prikkels (wijten aan het feit dat dit zeer beheersbare in een experimentele omgeving zijn). Dus, als behandeling van pijn patronen met betrekking tot kwaliteit, bevindingen kunnen niet vertalen naar andere modaliteiten van de pijn zoals druk, chemische of viscerale pijn.
De dezelfde behandeling op de overdraagbaarheid van de resultaten geldt voor het monster studie. Het protocol is ethisch beperkt tot gezonde volwassenen. Het omvat bijvoorbeeld niet kinderen of cognitief en verbaal verminderde personen. Bovendien, onze studie alleen Europese mensen deelnamen. Ook hier, analyseresultaten kunnen niet van toepassing op groepen niet beschouwd in dit experiment.

Een andere beperking kan betrekking hebben op de Hawthorne effect24: de onderwerpen weten dat ze gefilmd/waargenomen in de studie worden. Dit kan veranderen hun gedrag.

In vergelijking tot de bestaande gegevensbanken van de pijn, het protocol biedt aanzienlijke voordelen voor het analyseren van pijn reactie patronen zoals het combineert twee pijn modellen en twee tijdsverloop (phasic en tonic): naast de intensiteit en de duur van de pijn, het is ook van mening de kwaliteit van pijn. Zoals thermische pijn is anders dan elektrische pijn beschreven (bijvoorbeeld branden vs. sharp), het kan ook verschillen in de reacties van de pijn. Zo ja, kon deze bevindingen een pijn responsverloop link naar de onderliggende gegevensbron van de pijn. Bovendien, de studie is multimodale uit te breiden het bereik van pijn onderzoek kansen: dienst 5 psychofysiologische signalen, 2 gezicht (voor-en zijkant) camera signalen, 1 body weergave camera signaal, 1 thermische camera en 1 audio signaal, pijn kan worden geanalyseerd en meer precies beoordeeld.

Voor een meer complexe onderzoek van pijn reactie patronen, moeten toekomstige uitbreidingen voor deze methode bevatten meer biosignals zoals elektro-encefalografie (EEG), de lichaamstemperatuur en de ademhaling. Het zou ook van groot nut zijn voor de gecontroleerde druk in dienst als een verdere pijn-model. Onderzoekers die gericht zijn op erkenning van de automatische pijn via gegevens die zijn verzameld met dit protocol moeten verder veelbelovende machine leren modellen testen met klinische controlegroepen.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs bedank Verena Friedrich, Maria Velana, Sandra Gebhardt, Romy Bärwaldt en Tina Daucher voor hun waardevolle hulp bij het uitvoeren van de studie. Bovendien, gaat een speciale dank uit naar Dr. Stefanie Rukavina voor haar wetenschappelijke ondersteuning. Dit onderzoek maakte deel uit van de DFG/TR233/12 (http://www.dfg.de/) "Advancement en systematische validatie van een geautomatiseerde pijn erkenning on the Basis of Facial Expression en psychobiologische systeemparameters" project, gefinancierd door het Duits onderzoek Stichting.

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).

Tags

Gedrag kwestie 146 pijn warmte thermische elektrische Database Bio signalen Video Audio tonicum Phasic modaliteit X-ITE pijn DB
Multimodale signalen voor het analyseren van de pijn reacties op thermische en elektrische Stimuli
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gruss, S., Geiger, M., Werner, P.,… 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