Abstract
Das Verständnis und die genaue Bewertung der Schmerzstärke sind Schlüsselfaktoren in der Rehabilitationstherapie. Schmerz ist eine komplexe und subjektive Erfahrung, die von den Emotionen und dem Gesundheitszustand des Einzelnen beeinflusst wird. Es wurden verschiedene Methoden zur quantitativen Bewertung der Schmerzstärke entwickelt, die jedoch mehrere Nachteile aufweisen. In dieser Arbeit haben wir ein Schmerzmessgerät zur quantitativen Schmerzbeurteilung entwickelt. Das System besteht aus zwei Teilen, einer Komponente für die elektrische Stimulation und einem Druckdolorimeter für die Anwendung von zwei verschiedenen Spannungen. Bei der elektrischen Stimulation wird der Grad des Schmerzes anhand des angelegten Stroms bewertet. Der Hautwiderstand wurde ebenfalls durch die Anwendung von Strom analysiert, um die durch die Hautbeschaffenheit verursachten Auswirkungen zu beseitigen. Die elektrische Stimulation löste keine histologischen Veränderungen oder Entzündungen im Gewebe aus. Mit dem Druckdolorimeter wurde das Schmerzniveau entsprechend dem Entzündungsgrad bewertet. Dieses System könnte zur quantitativen Bewertung von Schmerzen verwendet werden, die durch Entzündungen, Wunden und andere Faktoren verursacht werden. Da das beschriebene System das erste seiner Art ist, gibt es noch viele Probleme zu lösen. Bei kontinuierlicher Weiterentwicklung könnte unser System jedoch eine genauere Schmerzbeurteilung ermöglichen, indem es die Auswirkungen des Hautzustands beseitigt und eine Kreuzvalidierung durchführt.
1. Einleitung
Die Bewertung der Schmerzskala eines Patienten ist ein wichtiges Thema während der Rehabilitation. Die Messung von Schmerzen ist jedoch schwierig, da es sich um eine komplexe Empfindung handelt, die mit persönlichen Eigenschaften und Erfahrungen verbunden ist. Es wurden verschiedene Methoden zur Bewertung der Schmerzskala entwickelt, darunter die visuelle Analogskala (VAS), die numerische Bewertungsskala (NRS), die verbale Bewertungsskala (VRS), die FACES-Schmerzbewertungsskala (FPRS) und der McGill Pain Questionnaire (MPQ). Von diesen Skalen werden die VAS und die FPRS hauptsächlich in klinischen Einrichtungen verwendet. Die VAS ist als gerade Linie mit einer festen Länge von 10 Zentimetern konzipiert. Die Enden sind als die extremen Grenzen des zu messenden Parameters definiert, die sich von „kein Schmerz“ bis zum „schlimmsten vorstellbaren Schmerz“ erstrecken. Die Patienten markieren auf der Linie die Intensität der Schmerzen, die sie derzeit empfinden. Die NRS fordert die Patienten auf, eine Zahl zwischen 0 und 10 zu wählen, die ihre derzeitige Schmerzintensität am besten beschreibt. 0 bedeutet „keine Schmerzen“ und 10 bedeutet „schlimmstmögliche Schmerzen“. Die VRS ist eine Methode zur Schmerzbeurteilung, die nicht mit Zahlen, sondern mit Worten ausgedrückt wird. Die Patienten wählen einen Satz wie keine Schmerzen, mäßige Schmerzen, starke Schmerzen, sehr starke Schmerzen und schlimmstmögliche Schmerzen, um ihr Schmerzempfinden zu beschreiben. Die FPRS ist eine sechsstufige Schmerzskala mit sechs verschiedenen Gesichtern, die ansteigende Schmerzstufen darstellen. Die Patienten werden gebeten, den Ausdruck auszuwählen, der die Schmerzintensität am besten charakterisiert, von „keine Schmerzen“ bis „starke Schmerzen“. Alle diese Methoden sind subjektiv und hängen von persönlichen Erfahrungen und Gefühlen ab. Daher gibt es beträchtliche individuelle Schwankungen bei der Bewertung von Schmerzen, die eine quantitative Auswertung erschweren.
Kürzlich wurde eine quantitative Schmerzbewertungsmethode unter Verwendung elektrischer Stimulation eingeführt. PainVision™-Geräte messen die Wahrnehmungsschwelle und den durch einen elektrischen Strom erzeugten Schmerz. Dieses System quantifiziert die Schmerzintensität, indem es den empfundenen Schmerz mit der Intensität der elektrischen Wahrnehmungen vergleicht. Die Wahrnehmungsschwelle gibt den minimalen elektrischen Strom an, der von der Person wahrgenommen wird, und der erzeugte Schmerz ist definiert als der maximale elektrische Strom, der von der Person wahrgenommen wird. Allerdings kann der Hautwiderstand einer Person das elektrische Messergebnis beeinflussen.
Die wichtigsten Faktoren bei der Entwicklung eines Schmerzmessgeräts sind Objektivität, Genauigkeit und quantitative Bewertung. PainVision ist ein System, das es Patienten ermöglicht, Messungen unabhängig vom Hautwiderstand durchzuführen. Der Hautwiderstand variiert je nach Zustand und Umgebung des Patienten. Es ist schwierig, die Korrelation mit früheren Messungen zu erklären, wenn der Schmerz unter Vernachlässigung des Hautwiderstands gemessen wird. Unser System misst jedoch zunächst den Hautwiderstand des Patienten, bevor es den Schmerz misst.
Nach der Bestimmung des Basiswertes des Hautwiderstandes des Patienten wird der Schmerz gemessen. Das heißt, der Hautwiderstandswert ist ein Standard. Wenn der Referenzwert erstellt ist, wird eine Beschreibung der Korrelation der vor und nach der Schmerzmessung gemessenen Schmerzwerte möglich.
In dieser Arbeit haben wir ein Schmerzmessgerät entwickelt, das über zwei Analysemethoden, elektrische Stimulation und Druckausübung, verfügt, um eine genauere Kreuzvalidierung zu ermöglichen. Bei der elektrischen Stimulation wird eine elektrische Spannung auf eine nicht schmerzhafte Stelle ausgeübt, und die beobachtete Spannung kann dann mit dem Schmerz verglichen werden. Die elektrisch belasteten Gewebe wurden histologisch untersucht, um festzustellen, ob die elektrische Stimulation Gewebeschäden verursacht hat. Bei der Druckprüfung wurde der Schmerz durch Druck auf die schmerzhafte Stelle beurteilt. An der Hinterpfote der Ratte wurde mit Carrageenan eine Entzündung ausgelöst, und dann wurde die entzündete Hinterpfote mit einem Handdruckstimulator stimuliert. Die Druckstelle wurde dann mit den Entzündungswerten verglichen.
2. Material und Methoden
2.1. Prinzip und Komponenten des Schmerzmessgerätes
Das Schmerzmessgerät wurde für die quantitative Schmerzanalyse entwickelt. Das Gerät besteht aus zwei Hauptteilen, darunter eine Komponente für die elektrische Stimulation und ein Druckdolorimeter, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Person kann entweder elektrisch oder durch Druck separat stimuliert werden. Durch den Vergleich der Reaktion auf die elektrische Stimulation und den Druck konnten wir genauere Ergebnisse erzielen. Bei der elektrischen Stimulation wird der von den Patienten empfundene Schmerz durch die elektrische Stimulation ersetzt, d. h. der angelegte Stromwert wird in einen erlebten oder empfundenen Schmerzwert umgerechnet. Durch die gleichzeitige Auswertung der elektrischen Stimulation und des Hautwiderstands erwarten wir außerdem eine objektive Bewertung des Schmerzes trotz unterschiedlicher Bedingungen wie Haut- und Körperveränderungen, Wetter oder Umweltbedingungen. Bei der Verwendung des Druckdolorimeters wird der Druck direkt auf die Schmerzstelle ausgeübt, und das Einsetzen des Schmerzes wird durch die Höhe des Drucks gemessen.
Das Schmerzmessgerät verfügt über fünf Tasten, darunter Netzschalter, ES (elektrische Stimulation), PS (Druckstimulation), EB (Notschalter) und SS (Stoppschalter). ES und PS werden für die Anwendung von Elektro- und Druckstimulation auf die Person verwendet. EB ist eine Taste zum Abschalten der Stromversorgung, die im Notfall zur Verfügung steht, und SS ist eine Taste, die am Ende der Schmerzmessungen verwendet wird. Die elektrische Stimulationskomponente wurde mit zwei Elektroden zur Messung des wahrgenommenen Stroms (50 Hz, Pulsbreite 0,3 ms) und der Schmerzschwelle verbunden. Die beiden Elektroden werden an einer flachen Stelle angebracht, z. B. an der Flanke eines Tieres oder am medialen Unterarm eines Menschen. Das elektrische Stimulationssystem bietet das gleiche Maß an Stimulation und Reizintensität wie der Schmerz; die Ad-Faser leitet das Schmerzsignal primär weiter (elektrisches Signal). Das Druckdolorimeter ist an einen Drucksensor eines Handstimulators angeschlossen. Der Stopp-Schalter wurde gedrückt, wenn der Teilnehmer Schmerz empfand.
2.2. Vorbereitung des Tiermodells
Erwachsene männliche Sprague-Dawley-Ratten (Raon Bio. Inc., Yongin, Korea) mit einem Gewicht von 250-350 g und einem Alter von 49-56 Tagen wurden in einem 12-Stunden-Licht-/12-Stunden-Dunkel-Zyklus (Licht um 06:00 Uhr) bei 24 ± 0,5°C in einer zentralen Tierpflegeeinrichtung gehalten. Wasser und Rattenfutter wurden bis zum Beginn der Versuche ad libitum zur Verfügung gestellt. Alle Tierversuche wurden vom Ausschuss für Tierversuche des College of Medicine der Kyung Hee University (KHUASP(SE)-15-084) genehmigt und wurden in strikter Übereinstimmung mit dem National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals behandelt.
2.3. Histologische Untersuchung
Ratten wurden entweder elektrisch stimuliert oder mit Carrageenan behandelt, um Schmerzen hervorzurufen. Die durch die beiden unterschiedlichen Behandlungen ausgelösten Entzündungsreaktionen wurden durch histologische Untersuchung verglichen. Die Ratten wurden intrakardial mit kaltem PBS, das Heparin (0,2 U/ml) und 4% Paraformaldehyd enthielt, perfundiert und anschließend in 4% Paraformaldehyd gelagert. Die durch die elektrische und die Carrageen-Stimulation belasteten Gewebe wurden halbiert und in Einbettungskassetten gelegt. Jede Probe wurde in Paraffinwachs eingebettet und dann mit einem Rotationsmikrotom (HM340E, Microm, Walldorf, Deutschland) in 5 μm dicke Proben geschnitten. Die geschnittenen Proben wurden mit Hämatoxylin und Eosin (H&E) angefärbt und dann unter einem inversen Nikon-Forschungsmikroskop Ti-E und einer Nikon Ds-Ri1-Digitalkamera, die von der Software Nis-Elements (Br) (Nikon Inc., Kawasaki, Japan) gesteuert wurde, analysiert.
2.4. Immunfluoreszenzfärbung
Die Auswirkungen der elektrischen Stimulation auf die Entzündung und Apoptose des Gewebes wurden mittels Immunfluoreszenz untersucht. Das elektrisch stimulierte Flankengewebe von Ratten wurde in Paraffin eingebettet und in 4 μm dicke Proben geschnitten. Zur Antigengewinnung wurden die Gewebeschnitte etwa zehn Minuten lang in TRS-Puffer erhitzt und dann dreimal mit destilliertem Wasser gewaschen. Die Proben wurden zur Hemmung der endogenen Peroxidase-Aktivität mit 0,03 % H2O2 behandelt und anschließend mit PBS-Lösung gewaschen. Anschließend wurden die Proben zehn Minuten lang bei Raumtemperatur mit 0,5% Triton X-100 in PBS permeabilisiert und eine Stunde lang mit 5% Ziegen- und 1% Rinderserumalbumin in PBS blockiert. Die Proben wurden zweimal für jeweils zehn Minuten mit PBS gewaschen. Die Proben wurden über Nacht bei 4°C mit einem primären Antikörper, entweder COX2 (1 : 1000 verdünnt) oder Caspase-3 (1 : 1000 verdünnt), verdünnt in 1% Rinderserumalbumin in PBS, inkubiert. Die Proben wurden viermal mit PBS gewaschen und dann in chronologischer Reihenfolge mit sekundären Antikörpern (Maus und Kaninchen, Alexa Fluor 2nd ab, 1 : 500), verdünnt in 1 % BSA in PBS, bei Raumtemperatur im Dunkeln für zwei Stunden inkubiert. Schließlich wurden die Proben zweimal zwei Minuten lang mit PBS gewaschen und dann mit DAPI-haltigem Einbettungsmedium bedeckt. Die Bilder wurden mit einem Zeiss Axiovert Mikroskop (Zeiss, Deutschland) und dem Axiovision Rel. 4.5 Analysesystem (Zeiss, Deutschland) aufgenommen.
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1. Schema der Schmerzmessung
Für die elektrische Stimulation wurden die Ratten durch eine intraperitoneale Injektion mit Chloralhydrat (300 mg/kg) betäubt, und die Haare der Ratte wurden entfernt. Die EKG-Elektrode wurde an der rechten Flanke der Ratte für die elektrische Stimulation angebracht, wie in Abbildung 2(a) dargestellt. Die elektrische Stimulation wurde an der linken Flanke der Ratte angebracht. Die angelegte Spannung wurde schrittweise von 0 auf 50 V erhöht. Der bei jeder Ratte gemessene Stromwert lag zwischen 12,5 und 92 μA, wie in Abbildung 2(b) dargestellt. Das Reaktionsverhalten der Ratte wurde nicht beobachtet, da die elektrische Stimulation unter Narkose durchgeführt wurde. Wir gehen jedoch davon aus, dass die Stimulation unabhängig von der körperlichen Verfassung oder dem Hautzustand immer gemessen werden kann, indem die Spannung, der Strom und der Widerstand im Zusammenhang mit den physiologischen Faktoren der Ratte bestimmt werden.
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Beim Druckdolorimetertest wurde die Ratte in eine Fixierkammer ohne Betäubung gelegt, wie in Abbildung 2(c) dargestellt. Die Entzündung wurde durch Injektion von Carrageenan in die rechte Hinterpfote ausgelöst. Carrageenan wurde verwendet, um nozizeptive Schmerzen zu bestätigen. Die von uns gebauten Geräte wurden auch dazu verwendet, den nozizeptiven Schmerz zuerst zu identifizieren. Die Entzündungswerte wurden durch die Menge an Carrageenan kontrolliert, die von 100 auf 200 μl einer 1%igen (w/v) Lösung erhöht wurde. Als Kontrolle wurden 100 μl Kochsalzlösung in den intraplantären Bereich der linken Hinterpfote injiziert. Die entzündete rechte Hinterpfote wurde mit einem Handdruckstimulator stimuliert, wie in Abbildung S1 dargestellt. Die Ratte reagierte auf die Druckstimulation. Unsere Hypothese ist, dass die Schwelle der Druckreaktion bei der Ratte vom Grad der Entzündung abhängt. Die Entzündungsausprägung in der Hinterpfote der Ratte entspricht dem Krankheitsniveau in der klinischen Praxis. Die Zunahme des Volumens und der Größe der Hinterpfoten in Abhängigkeit vom Entzündungsgrad wurde zu jedem Zeitpunkt nach der Carrageen-Injektion gemessen. Das Volumen der Hinterpfoten wurde mittels Plethysmometrie (Modell 7140 Plethysmometer, Ugo Basile, Italien) gemessen, und die Breite und Dicke der Pfoten jeder Ratte wurde mit einem Messschieber (Modell CD-6P; Mitutoyo, Tokio, Japan) bestimmt. Der Druckreiz wurde angewendet, als die Entzündungsausprägung ein Maximum erreichte. Die Reaktion der Ratten wurde durch Erhöhung des Drucks beobachtet, und die Druckschwelle wurde mit dem Entzündungsgrad verglichen.
3.2. Elektrische Stimulation
Um zu überprüfen, dass die angewandte elektrische Stimulation nur Schmerzen auslöste, ohne die Ratte zu schädigen, wurden die stimulierten Gewebe histologisch und entzündlich untersucht. Abbildung 3 zeigt die makroskopischen Bilder von H&E-gefärbten Geweben, die durch eine Erhöhung der Spannung von 0 bis 50 V elektrisch stimuliert wurden. Eine Gruppe der Gewebe wurde unmittelbar nach der elektrischen Stimulation angefärbt (linke Spalte), die andere einen Tag nach der Stimulation (rechte Spalte).
Die Kontrollgruppe zeigte normales Flankengewebe. In den elektrisch belasteten Geweben wurden im Vergleich zum Kontrollgewebe keine Unterschiede festgestellt, obwohl die Spannung auf 50 V erhöht wurde. 24 Stunden nach der elektrischen Stimulation wurden keine Anomalien beobachtet. Sowohl die entzündlichen als auch die apoptotischen Wirkungen der elektrischen Stimulation wurden durch doppelte Immunfluoreszenzfärbung für Caspase-3 und COX-2 untersucht. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der doppelten Immunfluoreszenzfärbung für normales (nicht stimuliertes) und stimuliertes (bei 10 und 50 V) Gewebe. Es gab keine Entzündungsexpression oder Apoptose in den Geweben unmittelbar nach der elektrischen Stimulation oder nach einem Tag, was bestätigt, dass die elektrische Stimulation nur Schmerzen verursacht und keine Gewebeschäden hervorruft.
3.3. Druckdolorimeter
Die rechte Hinterpfote der Ratte wurde mit Carrageenan behandelt, um eine Entzündung auszulösen, und die Hinterpfote wurde von oben und von der Seite fotografiert, wie in Abbildung 5 gezeigt. Eine Gruppe wurde als Kontrolle nicht mit Carrageenan behandelt, und die andere Gruppe wurde als Negativkontrolle mit Kochsalzlösung behandelt (Abbildung 5(a)). 1 % Carrageenan wurde in unterschiedlichen Mengen von 100 μl, 150 μl und 200 μl injiziert. Die Entzündungssymptome Ödem und Rötung wurden bei allen mit Carrageen behandelten Hinterpfoten beobachtet, während die Kontrollgruppe und die mit Kochsalzlösung behandelte Gruppe keine Symptome zeigten. Die entzündliche Wirkung von Carrageenan wurde durch H&E-Färbung eindeutig nachgewiesen. Wie in Abbildung 5(b) dargestellt, wiesen die Kontrollgruppe und die mit Kochsalzlösung behandelte Gruppe einen gesunden Gewebezustand auf. In allen mit Carrageen behandelten Gruppen wurde jedoch eine Anhäufung von infiltrierten Entzündungszellen beobachtet, wie durch Pfeile angezeigt. Das rechte Bild ist eine rechte Hinterpfote einer Ratte, die für Kontrolle, Kochsalzlösung und Carrageenan verwendet wurde, und das linke Bild ist eine linke Hinterpfote der Ratte in Abbildung 5(b).
Während des Fortschreitens der Entzündung wurden sowohl das Volumen als auch die Größe (Breite × Höhe) der Hinterpfote mithilfe von Plethysmometrie und Messschiebern gemessen. Die Messung wurde unmittelbar nach der Injektion von Kochsalzlösung und Carrageenan durchgeführt und dann acht Stunden lang fortgesetzt. In allen mit Carrageenan behandelten Gruppen nahmen sowohl das Volumen als auch die Größe der Hinterpfoten mit der Zeit bis zu 6 Stunden zu; die Ödeme nahmen jedoch mit zunehmender Zeit ab (Abbildungen 6(a) und 6(b)). Die Kontrollgruppe und die mit Kochsalzlösung behandelte Gruppe zeigten keine Veränderungen bei Volumen und Größe. Nach der Messung des Ödems (Abbildungen 6(a) und 6(b)) in Abhängigkeit von der Konzentration der Carrageen-Injektion bestätigten wir den Aktionsaspekt (Druck) der Ratte im maximalen Ödemzustand 6 Stunden nach der Carrageen-Injektion (Abbildung 6(c)). Diese Messung wurde durchgeführt, um eine Reihe von Informationen über den klinischen Entzündungszustand zu sammeln. In den Kontroll- und Kochsalzlösungsgruppen zeigten die Ergebnisse des Drucktests keine signifikanten Veränderungen. In der Gruppe mit dem Carrageenan-induzierten Pfotenödem konnten wir Unterschiede bei den Druckwerten in Abhängigkeit von der beobachteten Entzündung feststellen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass wir den Grad des Schmerzes entsprechend den verschiedenen Entzündungsgraden bestimmen konnten. In dieser Studie wurde Carrageenan zur Bewertung der akuten Entzündung verwendet; die Bewertung der chronischen Entzündung wird mit Complete Freund’s Adjuvant durchgeführt.
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4. Schlussfolgerungen
Wir entwickelten ein Schmerzmesssystem zur objektiven und quantitativen Schmerzbewertung. Zur Kreuzvalidierung bestand das System sowohl aus elektrischen Stimulations- als auch aus Druckkomponenten. Vor der Anwendung dieses Systems in einem klinischen Umfeld wurden die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems anhand eines Tiermodells bestätigt. Die elektrische Stimulation verursachte keine Schäden, einschließlich Gewebeentzündungen und Apoptose. Bei der Druckprüfung hingen die gemessenen Druckwerte vom Grad der Entzündung ab. Unser Schmerzmesssystem benötigt eine kurze Messzeit und löste bei der Anwendung am Rattengewebe keine Entzündung aus. Derzeit sind unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten abgeschlossen und bereit für die Kommerzialisierung. Der am häufigsten verwendete Teil wird der nozizeptive Schmerz sein. Er wird in der Abteilung für Rehabilitationsmedizin eingesetzt, und in Zukunft wird er auch bei neurochirurgischen Schmerzen (neuropathischen Schmerzen) verwendet werden. Obwohl es noch viele Herausforderungen gibt, kann dieses Schmerzmesssystem spannende Möglichkeiten für die Diagnose und Behandlung verschiedener Krankheiten bieten.
Interessenkonflikte
Die Autoren erklären, dass sie keine Interessenkonflikte haben.
Danksagungen
Diese Forschung wurde unterstützt durch das „Software Convergence Technology Development Program“, durch das Ministerium für Wissenschaft, IKT und Zukunftsplanung (ITAS0177160110290001000200200) und das Ministerium für Handel, Industrie und Energie (MOTIE), Korea, durch das Education Program for Creative and Industrial Convergence (Grant no. N0000717) und der National Research Foundation of Korea (NRF), finanziert durch das koreanische Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Technologie (Nr. 2011-0030072).
Ergänzende Materialien
Ergänzende Daten zu diesem Artikel sind in der Online-Version zu finden. Abbildung S1: das Handdruckmessgerät mit Drucksensor und Anzeigekomponenten. Abbildung S2: ein Bild, das den zeitlichen Verlauf des Carrageenan-induzierten Pfotenödems nach einer Injektion von 100 μl zeigt. Abbildung S3: ein Bild, das den zeitlichen Verlauf des durch Carrageenan ausgelösten Pfotenödems nach einer Injektion von 150 μl zeigt. Abbildung S4: ein Bild, das den zeitlichen Verlauf des Carrageenan-induzierten Pfotenödems nach einer Injektion von 200 μl zeigt. (Ergänzende Materialien)