Abstract
Kiputason ymmärtäminen ja tarkka arviointi ovat keskeisiä tekijöitä kuntoutusterapiassa. Kipu on monimutkainen ja subjektiivinen kokemus, johon vaikuttavat yksilön tunteet ja terveydentila. Kiputason kvantitatiiviseen arviointiin on kehitetty erilaisia menetelmiä; näillä menetelmillä on kuitenkin useita haittoja. Tässä työssä kehitimme kivunmittauslaitteen kivun kvantitatiiviseen arviointiin. Järjestelmä koostuu kahdesta osasta, sähköstimulaatiokomponentista ja painedolorimetristä, johon voidaan soveltaa kahta erilaista rasitusta. Sähköstimulaation osalta kivun aste arvioidaan käytetyn virran perusteella. Ihon vastus analysoitiin myös soveltamalla virtaa iho-olosuhteiden aiheuttamien vaikutusten poistamiseksi. Sähköstimulaatio ei aiheuttanut kudoksissa histologisia muutoksia tai tulehduksia. Painedolorimetriä käyttäen kipuaste arvioitiin tulehdusasteen mukaan. Tätä järjestelmää voitaisiin käyttää tulehduksen, haavojen ja muiden tekijöiden aiheuttaman kivun määrälliseen arviointiin. Koska kuvattu järjestelmä on ensimmäinen laatuaan, monia ongelmia on vielä ratkaisematta. Jatkuvan kehittämisen myötä järjestelmämme voisi kuitenkin tarjota tarkemman kivun arvioinnin poistamalla ihon kunnon vaikutukset ja ristiinvalidoinnin avulla.
1. Johdanto
Potilaan kipuasteikon arviointi on tärkeä asia kuntoutuksen aikana. Kivun mittaaminen on kuitenkin vaikeaa, koska se on monimutkainen tunne, joka liittyy henkilökohtaisiin ominaisuuksiin ja kokemuksiin . Kipuasteikon arvioimiseksi on kehitetty erilaisia menetelmiä, mukaan lukien visuaalinen analoginen asteikko (VAS), numeerinen arviointiasteikko (NRS), sanallinen arviointiasteikko (VRS), FACES-kipuasteikko (FPRS) ja McGill-kipukysely (MPQ) . Niistä VAS- ja FPRS-mittareita on käytetty pääasiassa kliinisissä tilanteissa. VAS on suunniteltu suoraksi viivaksi, jonka pituus on 10 senttimetriä. Päätepisteet on määritelty mitattavan parametrin äärirajoiksi ”ei kipua” – ”pahimpaan kuviteltavissa olevaan kipuun”. Potilaat merkitsevät viivalle sen kivun voimakkuuden, jota he tällä hetkellä kokevat. NRS:ssä potilaita kehotetaan valitsemaan numero 0-10, joka kuvaa parhaiten heidän tämänhetkistä kivun voimakkuuttaan. 0 tarkoittaa ”ei kipua” ja 10 tarkoittaa ”pahinta mahdollista kipua”. VRS on kivun arviointimenetelmä, joka ilmaistaan numeroiden sijasta sanoin. Potilaat valitsevat kivun tunnettaan kuvaavan lauseen, kuten ei kipua, kohtalainen kipu, voimakas kipu, erittäin voimakas kipu ja pahin mahdollinen kipu. FPRS on kuusiportainen kipuasteikko, jossa on kuusi erilaista näkymää, jotka edustavat kasvavaa kivun tasoa. Potilaita pyydetään valitsemaan kivun voimakkuutta parhaiten kuvaava ilmaisu ”ei kipua” ja ”voimakas kipu” väliltä. Kaikki nämä menetelmät ovat subjektiivisia ja riippuvat henkilökohtaisista kokemuksista ja tunteista. Arvioidussa kivussa on siis huomattavaa yksilöllistä vaihtelua, mikä vaikeuttaa kvantitatiivista arviointia.
Viime aikoina otettiin käyttöön kvantitatiivinen kivunarviointimenetelmä, jossa käytetään sähköstimulaatiota . PainVision™-laitteet mittaavat havaintokynnystä ja sähkövirran tuottamaa kipua. Tämä järjestelmä kvantifioi kivun voimakkuuden vertaamalla koettua kipua sähköisen aistimuksen voimakkuuteen. Havaintokynnys osoittaa yksilön havaitseman pienimmän sähkövirran, ja tuotettu kipu määritellään yksilön havaitsemaksi suurimmaksi sähkövirraksi. Yksilön ihonvastus voi kuitenkin vaikuttaa sähköiseen mittaustulokseen .
Kivunmittauslaitteen kehittämisessä tärkeimmät tekijät ovat objektiivisuus, tarkkuus ja kvantitatiivinen arviointi. PainVision on järjestelmä, jonka avulla potilaat voivat tehdä mittauksia ihonvastuksesta riippumatta. Ihon vastus vaihtelee potilaan tilan ja ympäristön mukaan. Korrelaatiota aiempien mittausten kanssa on vaikea selittää, jos kipua mitataan ihonvastus huomioimatta. Järjestelmämme kuitenkin mittaa potilaan ihonvastuksesta ennen kivun mittaamista.
Potilaan ihonvastuksen perusarvon määrittämisen jälkeen mitataan kipu. Toisin sanoen ihovastusarvo on standardi. Kun viitearvo on laadittu, ennen ja jälkeen kipumittauksen mitattujen kipuarvojen korrelaation kuvaus tulee mahdolliseksi.
Tässä työssä kehitimme kivunmittauslaitteen, jossa on kaksi analyysimenetelmää, sähköinen stimulaatio ja paineen kohdistaminen, tarkempaa ristiinvalidointiarviointia varten. Sähköstimulaation aikana sähköinen jännitys kohdistetaan muuhun kuin kipukohtaan, minkä jälkeen havaittua jännitystä voidaan verrata kipuun. Sähköisesti rasitetut kudokset tutkittiin histologisesti sen selvittämiseksi, aiheuttiko sähköinen stimulaatio kudosvaurioita. Painearvioinnin aikana kipua arvioitiin kohdistamalla painetta kipukohtaan. Rotan takatassuun aiheutettiin tulehdus karrageenilla, minkä jälkeen tulehtunutta takatassua stimuloitiin käsityyppisellä painestimulaattorilla. Painekohtaa verrattiin sitten tulehdusarvoihin.
2. Aineisto ja menetelmät
2.1. Painekohtaa verrattiin tulehdusarvoihin. Kivunmittauslaitteen periaate ja komponentit
Kivunmittauslaite kehitettiin kvantitatiivista kivun analysointia varten. Laite koostuu kahdesta pääosasta, joihin kuuluvat sähköstimulaatiokomponentti ja painedolorimetri, kuten kuvassa 1 on esitetty. Stimulaatio voidaan kohdistaa yksilöön erikseen joko sähköisesti tai paineen avulla. Vertailemalla vastetta sähköiseen stimulaatioon ja paineeseen saatiin tarkempia tuloksia. Sähköstimulaation aikana potilaiden kokema kipu korvataan sähköstimulaatiolla, eli käytetyn virran arvo muunnetaan koetuksi tai koetun kivun arvoksi. Arvioimalla sähköstimulaatiota ja ihon vastusta samanaikaisesti odotamme myös voivamme arvioida kipua objektiivisesti vaihtelevista olosuhteista, kuten ihon ja kehon muutoksista, säästä tai ympäristöolosuhteista huolimatta. Painedolorimetriä käytettäessä paine kohdistetaan suoraan kipukohtaan ja kivun alkaminen mitataan paineen määrän perusteella.
Kipumittauslaitteessa käytetään viittä painiketta, mukaan lukien virtapainike, ES (sähköstimulaatio), PS (painestimulaatio), EB (hätäpainike) ja SS (pysäytyskytkin). ES- ja PS-painikkeita käytetään sähkö- ja painestimulaation kohdistamiseen henkilöön. EB on hätätilanteessa käytettävissä oleva virrankatkaisupainike, ja SS on painike, jota käytetään kipumittausten päättyessä. Sähköstimulaatiokomponenttiin oli kytketty kaksi elektrodia koetun virran (50 Hz, pulssin leveys 0,3 ms) ja kipukynnyksen mittaamista varten. Kaksi elektrodia asetetaan tasaiselle kohdalle, kuten eläimen kylkeen tai ihmisen mediaaliseen kyynärvarteen. Sähköinen stimulaatiojärjestelmä tarjoaa saman stimulaatiotason ja ärsykkeen voimakkuuden kuin kipu; Ad-kuitu johtaa ensisijaisesti kipusignaalia (sähköinen signaali). Painedolorimetri on kytketty käsistimulaattorin kärkityyppiseen paineanturiin. Pysäytyskytkintä painettiin, kun osallistuja tunsi kipua.
2.2. Eläinmallin valmistelu
Aikuiset urospuoliset Sprague-Dawley-rotat (Raon Bio. Inc., Yongin, Korea), jotka painoivat 250-350 g ja olivat 49-56 päivän ikäisiä, pidettiin 12 h valoa / 12 h pimeää sykliä (valot kello 06:00) 24 ± 0,5 ° C: ssa keskitetyssä eläintenhoitolaitoksessa. Vettä ja rotanruokaa annettiin ad libitum, kunnes kokeet aloitettiin. Kaikki eläinkokeet hyväksyttiin Kyung Heen yliopiston lääketieteellisen korkeakoulun eläinkokeiden komiteassa (KHUASP(SE)-15-084), ja niitä käsiteltiin tiukasti National Institutes of Healthin laboratorioeläinten hoito- ja käyttöoppaan
2.3 mukaisesti. Histologinen tutkimus
Ratoja stimuloitiin joko sähköisesti tai niitä käsiteltiin karrageenilla kivun aiheuttamiseksi. Kahden eri käsittelyn aiheuttamia tulehdusreaktioita verrattiin histologisella arvioinnilla. Rotat perfusoitiin intrakardiaalisesti kylmällä PBS:llä, joka sisälsi hepariinia (0,2 U/ml) ja 4-prosenttista paraformaldehydiä, ja varastoitiin sitten 4-prosenttiseen paraformaldehydiin. Sähkö- ja karrageenistimulaation seurauksena syntyneet stressaantuneet kudokset puolitettiin ja asetettiin upotuskasetteihin. Jokainen näyte upotettiin parafiiniin ja leikattiin sitten 5 μm:n paksuisiksi näytteiksi pyörivällä mikrotomilla (HM340E, Microm, Walldorf, Saksa). Leikattu näyte värjättiin hematoksyliinillä ja eosiinilla (H&E), minkä jälkeen se analysoitiin Nikonin käänteisellä tutkimusmikroskoopilla Ti-E ja Nikon Ds-Ri1-digitaalikameralla, jota ohjattiin Nis-Elements (Br) -ohjelmistolla (Nikon Inc., Kawasaki, Japani).
2.4. Tutkimuksen tulokset. Immunofluoresenssivärjäys
Sähköärsytyksen vaikutuksia kudosten tulehdukseen ja apoptoosiin tutkittiin immunofluoresenssilla. Rottien sähköstimuloitu kylkikudos upotettiin parafiiniin ja leikattiin 4 μm paksuiksi näytteiksi. Antigeenin talteenottoa varten kudosleikkeitä kuumennettiin TRS-puskurissa noin kymmenen minuutin ajan ja pestiin sitten tislatulla vedellä kolme kertaa. Näytteet käsiteltiin 0,03-prosenttisella H2O2:lla endogeenisen peroksidaasiaktiivisuuden estämiseksi ja pestiin sitten PBS-liuoksella. Tämän jälkeen näytteet permeabiloitiin 0,5-prosenttisella Triton X-100:lla PBS:ssä kymmenen minuutin ajan huoneenlämmössä ja estettiin 5-prosenttisella vuohen ja 1-prosenttisella naudan seerumin albumiinilla PBS:ssä tunnin ajan. Näytteet pestiin PBS:llä kahdesti kymmenen minuutin ajan. Näytteitä inkuboitiin yön yli 4 °C:ssa primaarivasta-aineen, joko COX2:n (laimennettu 1:1000) tai kaspaasi-3:n (laimennettu 1:1000), kanssa, joka oli laimennettu 1 % naudan seerumin albumiiniin PBS:ssä. Näytteet pestiin neljä kertaa PBS:llä ja inkuboitiin sitten aikajärjestyksessä sekundäärisellä vasta-aineella (hiiri ja kani, Alexa Fluor 2nd ab, 1 : 500), joka oli laimennettu 1 %:iin BSA:ta PBS:ssä huoneenlämmössä pimeässä kahden tunnin ajan. Lopuksi näytteet pestiin kahdesti PBS:llä kahden minuutin ajan ja peitettiin sitten DAPI:tä sisältävällä kiinnitysalustalla. Kuvat otettiin Zeiss Axiovert -mikroskoopilla (Zeiss, Saksa) ja Axiovision Rel. 4.5 -analyysijärjestelmällä (Zeiss, Saksa).
3. Tulokset ja keskustelu
3.1. Tulokset ja keskustelu. Kivun mittausjärjestelmä
Sähköstimulaatiota varten rotat nukutettiin vatsakalvon sisäisellä injektiolla käyttäen kloraalihydraattia (300 mg/kg), ja rotan karvat poistettiin. EKG-elektrodi kiinnitettiin rotan oikeaan kylkeen sähköstimulaatiota varten, kuten kuvassa 2(a) on esitetty. Sähköinen stimulaatio kohdistettiin rotan vasempaan kylkeen. Käytettyä jännitettä nostettiin asteittain 0:sta 50 V:iin. Kustakin rotasta mitattu virta-arvo vaihteli 12,5 ja 92 μA:n välillä, kuten kuvassa 2(b) on esitetty. Rotan reagoivaa käyttäytymistä ei havaittu, koska sähköinen stimulaatio suoritettiin nukutuksessa. Odotamme kuitenkin, että stimulaatio voidaan aina mitata fyysisestä tai ihon kunnosta riippumatta tunnistamalla rotan fysiologisiin tekijöihin liittyvät jännite, virta ja vastus.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Painedolorimetritestissä rotta asetettiin hillitsemislaitteeseen ilman anestesiaa, kuten kuvassa 2(c) on esitetty. Tulehdus aiheutettiin karrageeni-injektiolla oikeaan takatassuun. Karrageenin avulla varmistettiin nokseptinen kipu. Rakentamamme laitteisto tehtiin myös tunnistamaan ensin nociceptivinen kipu. Tulehdustasoja säädeltiin karrageenin määrällä, jota lisättiin 100 μl:sta 200 μl:aan 1 % (w/v) liuosta. Kontrollina ruiskutettiin 100 μl suolaliuosta vasemman takatassun intraplantaariselle alueelle. Tulehtunutta oikeaa takatassua stimuloitiin käsityyppisellä painestimulaattorilla, kuten kuvassa S1 on esitetty. Rotta reagoi painestimulaatioon. Hypoteesimme on, että rotan painevasteen kynnysarvo riippuu tulehduksen asteesta. Tulehduksen ilmentyminen rotan takatassussa jäljittelee kliinisessä käytännössä esiintyviä tautitasoja. Takatassun tilavuuden ja koon kasvu tulehduksen mukaan mitattiin kussakin vaiheessa karrageeni-injektion jälkeen. Takatassun tilavuus mitattiin pletysmometrialla (malli 7140 pletysmometri, Ugo Basile, Italia), ja kunkin rotan käpälän leveys ja paksuus mitattiin kalibroilla (malli CD-6P; Mitutoyo, Tokio, Japani). Painestimulaatiota käytettiin, kun tulehdusilmaisu saavutti maksimin. Rotan vastetta tarkkailtiin lisäämällä painetasoa, ja painekynnystä verrattiin tulehdusasteeseen.
3.2. Painekynnystä verrattiin tulehdusasteeseen. Sähköstimulaatio
Varmistaaksemme, että käytetty sähköstimulaatio aiheutti vain kipua vahingoittamatta rottaa, stimuloidut kudokset tutkittiin histologian ja tulehduksen kannalta. Kuvassa 3 esitetään makroskooppiset kuvat H&E-värjätyistä kudoksista, joita stimuloitiin sähköisesti lisäämällä jännitettä 0:sta 50 V:iin. Toisen ryhmän kudokset värjättiin välittömästi sähköstimulaation jälkeen (vasen pylväs) ja toisen ryhmän kudokset värjättiin vuorokausi stimulaation jälkeen (oikea pylväs).
Kontrolliryhmässä oli normaali kylkikudos. Sähköisesti rasitetuissa kudoksissa ei havaittu eroja verrattuna kontrollikudokseen, vaikka jännite nousi 50 V:iin. 24 tuntia sähköisen stimulaation jälkeen ei havaittu poikkeavuuksia. Sähköstimulaation sekä tulehduksellisia että apoptoottisia vaikutuksia tutkittiin kaksinkertaisella immunofluoresenssivärjäyksellä kaspaasi-3:lle ja COX-2:lle. Kuvassa 4 esitetään kaksinkertaisen immunofluoresenssivärjäyksen tulokset normaaleista (stimuloimattomista) ja stimuloiduista (10 ja 50 V:n jännitteillä) kudoksista. Kudoksissa ei ilmennyt tulehdusta tai apoptoosia välittömästi sähköstimulaation jälkeen eikä yhden päivän kuluttua, mikä vahvistaa, että sähköstimulaatio aiheutti vain kipua eikä aiheuttanut kudosvaurioita.
3.3. Paine-dolorimetri
Rotan oikeaa takatassua käsiteltiin karrageenilla tulehduksen aikaansaamiseksi, ja takatassu kuvattiin ylä- ja sivukuvista, kuten kuvassa 5 on esitetty. Yhtä ryhmää ei käsitelty karrageenilla kontrollina, ja toista ryhmää käsiteltiin suolaliuoksella negatiivisena kontrollina (kuva 5(a)). 1-prosenttista karrageenia ruiskutettiin vaihtelevia määriä (100 μl, 150 μl ja 200 μl). Tulehdusoireita, turvotusta ja punoitusta, havaittiin kaikissa karrageenilla käsitellyissä takatassuissa, kun taas kontrolliryhmässä ja suolaliuoksella käsitellyissä ryhmissä ei havaittu mitään oireita. Karrageenin tulehdusvaikutus paljastui selvästi H&E-värjäyksessä. Kuten kuvassa 5(b) näkyy, kontrolli- ja suolaliuoksella käsitellyt ryhmät osoittivat tervettä kudostilaa. Kaikissa karrageenilla käsitellyissä ryhmissä havaittiin kuitenkin infiltroituneiden tulehdussolujen kertymistä, kuten nuolet osoittavat. Oikeanpuoleinen kuva on kontrolli-, suolaliuos- ja karrageenihoidossa käytetyn rotan oikea takatassu ja vasemmanpuoleinen kuva on kuvassa 5(b) olevan rotan vasen takatassu.
Tulehduksen etenemisen aikana mitattiin takatassun tilavuus ja koko (leveys × korkeus) plethysmometrialla ja mittatikulla. Mittaus suoritettiin välittömästi suolaliuos- ja karrageeni-injektion jälkeen ja sitä jatkettiin kahdeksan tunnin ajan. Kaikissa karrageenilla käsitellyissä ryhmissä sekä takatassun tilavuus että koko kasvoivat asteittain ajan myötä kuuteen tuntiin asti; turvotus kuitenkin väheni ajan lisääntyessä edelleen (kuvat 6(a) ja 6(b)). Kontrolliryhmässä ja suolaliuoksella käsitellyissä ryhmissä ei tapahtunut muutoksia tilavuudessa ja koossa. Mitattuamme turvotuksen (kuvat 6(a) ja 6(b)) karrageenin injektiokonsentraation perusteella vahvistimme rotan toiminta-aspektin (paine) turvotuksen maksimitilassa 6 h karrageenin injektion jälkeen (kuva 6(c)). Tämä mittaus suoritettiin erilaisten tietojen keräämiseksi kliinisestä tulehdustilasta. Kontrolli- ja suolaliuosryhmissä painetestitulokset eivät osoittaneet merkittäviä muutoksia. Karrageenin aiheuttaman tassun turvotuksen ryhmässä pystyimme erottamaan painearvojen erot havaitun tulehduksen mukaan. Nämä tulokset osoittavat, että pystyimme määrittämään kivun asteen eri tulehdustasojen mukaan. Tässä tutkimuksessa karrageenia käytettiin akuutin tulehduksen arviointiin; kroonisen tulehduksen arviointi arvioidaan käyttämällä täydellistä Freundin adjuvanttia.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
4. Johtopäätökset
Kehitimme kivunmittausjärjestelmän objektiiviseen ja kvantitatiiviseen kivun arviointiin. Ristiinvalidointia varten järjestelmä koostui sekä sähköstimulaatio- että painekomponenteista. Ennen tämän järjestelmän soveltamista kliinisessä ympäristössä järjestelmän turvallisuus ja luotettavuus vahvistettiin eläinmallilla. Sähköinen stimulaatio ei aiheuttanut vaurioita, kuten kudostulehdusta tai apoptoosia. Painetestissä mitatut painearvot riippuivat tulehdusasteesta. Kipumittausjärjestelmämme vaatii lyhyen mittausajan eikä se aiheuttanut tulehdusta, kun sitä käytettiin rottien kudokseen. Tällä hetkellä tutkimus- ja kehitystyömme on saatu päätökseen, ja se on valmis kaupallistettavaksi. Yleisimmin käytetty osa tulee olemaan nociceptivinen kipu. Sitä käytetään kuntoutuslääketieteen osastolla, ja neurokirurgista kipua (neuropaattinen kipu) sovelletaan tulevaisuudessa. Vaikka monia haasteita on vielä jäljellä, tämä kivun mittausjärjestelmä voi tarjota jännittäviä mahdollisuuksia erilaisten sairauksien diagnosointiin ja hoitoon.
Kiinnostusristiriidat
Tekijät ilmoittavat, ettei heillä ole eturistiriitoja.
Kiitokset
Tätä tutkimusta ovat tukeneet tiede-, tieto- ja viestintätekniikka- ja tulevaisuudensuunnitteluministeriön kautta toteutettu ”Ohjelmistojen konvergenssiteknologian kehittämisohjelma” (ITAS017716011029000101000200200) ja Korean kauppa-, teollisuus- ja energiaministeriö (MOTIE) luovaa ja teollista konvergenssia koskevan koulutusohjelman kautta (apuraha nro. N0000717) ja Korean hallituksen opetus-, tiede- ja teknologiaministeriön rahoittaman Korean kansallisen tutkimussäätiön (NRF) apurahan (nro 2011-0030072) kautta.
Lisäaineistot
Tämän artikkelin lisäaineistot löytyvät verkkoversiosta. Kuva S1: Käsityyppinen painedolorimetri, jossa on paineanturi ja näyttökomponentit. Kuva S2: kuva, jossa näkyy karrageenin aiheuttaman tassun turvotuksen ajallinen kulku 100 μl:n injektiomäärän jälkeen. Kuva S3: kuva karrageenin aiheuttaman käpäläturvotuksen ajallisesta kulusta 150 μl:n injektiomäärän jälkeen. Kuva S4: kuva karrageenin aiheuttaman käpäläturvotuksen ajallisesta kulusta 200 μl:n injektiomäärän jälkeen. (Täydentävät aineistot)