Abstract
A fájdalomszint megértése és pontos felmérése kulcsfontosságú tényező a rehabilitációs terápiában. A fájdalom összetett és szubjektív élmény, amelyet az egyén érzelmei és egészségi állapota befolyásol. A fájdalomszint kvantitatív értékelésére különböző módszereket dolgoztak ki; ezeknek a módszereknek azonban számos hátrányuk van. Ebben a munkában egy fájdalommérő eszközt fejlesztettünk ki a fájdalom mennyiségi értékelésére. A rendszer két részből áll, egy elektromos stimulációra szolgáló komponensből és egy nyomás-doloriméterből, két különböző terhelés alkalmazására. Az elektromos stimuláció tekintetében a fájdalom mértékét az alkalmazott áram alapján értékeljük. A bőr ellenállását is elemezték az áram alkalmazásával, a bőr állapotából eredő hatások kiküszöbölése érdekében. Az elektromos ingerlés nem idézett elő szövettani elváltozást vagy gyulladást a szövetekben. A nyomás-doloriméter segítségével a fájdalomszintet a gyulladás mértéke szerint értékelték. Ez a rendszer a gyulladás, a sebek és egyéb tényezők által kiváltott fájdalom mennyiségi értékelésére használható. Mivel a leírt rendszer az első a maga nemében, még sok megoldásra váró probléma van. Folyamatos fejlesztéssel azonban rendszerünk a bőr állapotára gyakorolt hatások kiküszöbölésével és keresztvalidálással pontosabb fájdalomértékelést biztosíthat.
1. Bevezetés
A beteg fájdalomskálájának értékelése fontos kérdés a rehabilitáció során. A fájdalom mérése azonban nehéz, mert ez egy összetett érzés, amely személyes jellemzőkkel és tapasztalatokkal társul . Különböző módszereket fejlesztettek ki a fájdalomskála értékelésére, beleértve a vizuális analóg skálát (VAS), a numerikus értékelő skálát (NRS), a verbális értékelő skálát (VRS), a FACES fájdalomértékelő skálát (FPRS) és a McGill fájdalom kérdőívet (MPQ) . Közülük a VAS-t és az FPRS-t használták elsősorban klinikai környezetben . A VAS-t egy fix hosszúságú, 10 centiméteres egyenes vonal formájában tervezték. A végeket a mérendő paraméter szélső határértékeiként határozzák meg, a “nincs fájdalom” és az “elképzelhető legrosszabb fájdalom” között. A betegek az általuk jelenleg tapasztalt fájdalom intenzitásának megfelelő vonalat jelölik. Az NRS arra utasítja a betegeket, hogy 0 és 10 között válasszák ki azt a számot, amely a legjobban leírja a fájdalom jelenlegi intenzitását. A 0 azt jelenti, hogy “nincs fájdalom”, a 10 pedig a “lehető legrosszabb fájdalmat”. A VRS a fájdalom értékelésének olyan módszere, amelyet számok helyett szavakkal fejeznek ki. A betegek a fájdalomérzetük leírására egy olyan mondatot választanak, mint nincs fájdalom, mérsékelt fájdalom, erős fájdalom, nagyon erős fájdalom és a lehető legrosszabb fájdalom. Az FPRS egy hatpontos fájdalomskála hat különböző arccal, amelyek növekvő fájdalomszinteket jelölnek. A betegeket arra kérik, hogy a “nincs fájdalom” és a “súlyos fájdalom” között válasszák ki azt a kifejezést, amelyik a legjobban jellemzi a fájdalom intenzitását. Mindezek a módszerek szubjektívek, és a személyes tapasztalatoktól és érzelmektől függenek. Ezért az értékelt fájdalomban jelentős egyéni eltérések vannak, ami nehéz kvantitatív értékelést eredményez.
A közelmúltban bevezettek egy elektromos stimulációt alkalmazó kvantitatív fájdalomértékelési módszert . A PainVision™ készülékek az érzékelési küszöböt és az elektromos áram által keltett fájdalmat mérik. Ez a rendszer a fájdalom intenzitását a tapasztalt fájdalom és az elektromos érzékelés intenzitásának összehasonlításával számszerűsíti. Az érzékelési küszöb az egyén által érzékelt minimális elektromos áramot jelzi, a keletkezett fájdalmat pedig az egyén által érzékelt maximális elektromos áramként határozzák meg. Az egyén bőrellenállása azonban befolyásolhatja az elektromos mérési eredményt .
A fájdalommérő eszköz kifejlesztésének legfontosabb tényezői az objektivitás, a pontosság és a mennyiségi értékelés. A PainVision egy olyan rendszer, amely lehetővé teszi a páciensek számára a bőrellenállástól független méréseket. A bőrellenállás a beteg állapotától és környezetétől függően változik. Nehéz megmagyarázni a korábbi mérésekkel való korrelációt, ha a fájdalom mérése a bőrellenállás figyelmen kívül hagyásával történik. A mi rendszerünk azonban a páciens bőrellenállásából mér a fájdalom mérése előtt.
A páciens bőrellenállásának alapértékének meghatározása után a fájdalom mérése következik. Vagyis a bőrellenállás értéke egy standard. Ha a referenciaérték elkészül, lehetővé válik a fájdalommérés előtt és után mért fájdalomértékek korrelációjának leírása.
Ebben a munkában egy olyan fájdalommérő készüléket fejlesztettünk ki, amely két elemzési módszerrel, elektromos stimulációval és nyomás alkalmazásával rendelkezik a pontosabb keresztvalidációs értékelés érdekében. Az elektromos stimuláció során elektromos feszültséget alkalmazunk egy nem fájdalmas helyen, majd a megfigyelt feszültséget össze lehet hasonlítani a fájdalommal. Az elektromosan terhelt szöveteket szövettanilag megvizsgálták annak megállapítására, hogy az elektromos ingerlés okozott-e szövetkárosodást. A nyomásértékelés során a fájdalmat úgy értékelték, hogy nyomást alkalmaztak a fájdalom helyén. A patkányok hátsó mancsán karragénnel gyulladást idéztünk elő, majd a gyulladt hátsó mancsot kézi típusú nyomásstimulátorral stimuláltuk. Ezután a nyomás helyét összehasonlítottuk a gyulladás szintjével.
2. Anyag és módszer
2.1. Anyagok és módszerek
2.1. Anyag és módszerek. A fájdalommérő eszköz elve és összetevői
A fájdalommérő eszközt kvantitatív fájdalomelemzésre fejlesztettük ki. Az eszköz két fő részből áll, beleértve egy elektromos stimulációra szolgáló komponenst és egy nyomás-dolorimétert, amint azt az 1. ábra mutatja. Az ingerlést külön-külön lehetett alkalmazni az egyénre akár elektromosan, akár nyomáson keresztül. Az elektromos stimulációra és a nyomásra adott válasz összehasonlításával pontosabb eredményeket kaphattunk. Az elektromos stimuláció során a páciensek által tapasztalt fájdalmat helyettesítjük az elektromos stimulációval; nevezetesen az alkalmazott áramértéket átfordítjuk egy tapasztalt vagy átélt fájdalomértékre. Továbbá, az elektromos ingerlés és a bőr ellenállásának egyidejű értékelésével azt várjuk, hogy objektíven értékeljük a fájdalmat a változó körülmények, például a bőr és a test változásai, az időjárás vagy a környezeti feltételek ellenére. A nyomás-doloriméter használata során a nyomást közvetlenül a fájdalom helyén alkalmazzák, és a fájdalom fellépését a nyomás mértékével mérik.
A fájdalommérő eszköz öt gombot használ, köztük a bekapcsoló gombot, az ES (elektromos stimulációs rész), a PS (nyomásstimulációs rész), az EB (vészhelyzeti gomb) és az SS (leállító kapcsoló). Az ES és a PS az elektromos és a nyomásstimuláció alkalmazására szolgál. Az EB egy vészhelyzet esetén elérhető kikapcsoló gomb, az SS pedig a fájdalommérés végén használt gomb. Az elektromos stimulációs komponenshez két elektróda volt csatlakoztatva az érzékelt áram (50 Hz, impulzusszélesség 0,3 ms) és a fájdalomküszöb mérésére. A két elektródát egy lapos helyre, például egy állat oldalára vagy az ember mediális alkarjára helyezték. Az elektromos stimulációs rendszer a fájdalommal azonos szintű ingerlést és ingerintenzitást biztosít; az Ad-szál elsősorban a fájdalomjelet (elektromos jelet) vezeti. A nyomás-doloriméter egy kézi stimulátor csúcs típusú nyomásérzékelőjéhez van csatlakoztatva. A stop-kapcsolót akkor nyomták meg, amikor a résztvevő fájdalmat érzett.
2.2. Állatmodell előkészítése
Felnőtt hím Sprague-Dawley patkányokat (Raon Bio. Inc., Yongin, Korea) 250-350 g súlyú, 49-56 napos hímeket 12 órás fény/12 órás sötét ciklusban (világítás 06:00 órakor), 24 ± 0,5°C-on tartottunk egy központi állatgondozóban. Vizet és patkánytakarmányt ad libitum biztosítottunk a kísérletek megkezdéséig. Minden állatkísérletet a Kyung Hee Egyetem Orvosi Főiskolájának Állatkísérleti Bizottsága hagyott jóvá (KHUASP(SE)-15-084), és szigorúan a National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals
2.3. útmutatója szerint kezelték. Hisztológiai vizsgálat
A macskákat vagy elektromosan ingerelték, vagy karragénnel kezelték a fájdalom kiváltása érdekében. A két különböző kezelés által kiváltott gyulladásos reakciókat szövettani értékeléssel hasonlították össze. A patkányokat intrakardialisan perfundáltuk hideg PBS-szel, amely heparint (0,2 U/ml) és 4%-os paraformaldehidet tartalmazott, majd 4%-os paraformaldehidben tároltuk. Az elektromos és karragén ingerlésből származó stresszes szöveteket kettévágtuk és beágyazó kazettákba helyeztük. Minden mintát paraffinviaszba ágyaztunk be, majd rotációs mikrotom (HM340E, Microm, Walldorf, Németország) segítségével 5 μm vastagságú mintákra metszettük. A metszett mintát hematoxilinnal és eozinnal (H&E) festettük meg, majd egy Nikon Ti-E inverz kutatási mikroszkóp és egy Nikon Ds-Ri1 digitális kamera segítségével elemeztük, amelyet a Nis-Elements (Br) szoftver (Nikon Inc., Kawasaki, Japán) vezérelt.
2.4. A metszett mintát a Nikon Inc. Immunfluoreszcens festés
Az elektromos ingerlés hatását a szövetek gyulladására és apoptózisára immunfluoreszcenciával vizsgáltuk. A patkányok elektromosan stimulált szárnyszövetét paraffinba ágyaztuk és 4 μm vastagságú mintákra metszettük. Az antigén-visszanyeréshez a szövetszelvényeket TRS pufferben körülbelül tíz percig melegítettük, majd háromszor desztillált vízzel mostuk. A mintákat 0,03%-os H2O2-vel kezeltük az endogén peroxidáz-aktivitás gátlása érdekében, majd PBS-oldattal mostuk. Ezután a mintákat 0,5%-os Triton X-100-mal permeabilizáltuk PBS-ben tíz percig szobahőmérsékleten, majd 5%-os kecske és 1%-os szarvasmarha szérumalbuminnal blokkoltuk PBS-ben egy órán keresztül. A mintákat kétszer tíz percig PBS oldattal mostuk, egyenként tíz percig. A mintákat egy éjszakán át 4°C-on inkubáltuk egy elsődleges antitesttel, vagy a COX2 (1 : 1000 hígításban) vagy a kaszpáz-3 (1 : 1000 hígításban), amelyet 1% szarvasmarha-szérumalbuminnal hígítottunk PBS-ben. A mintákat négyszer mostuk PBS-szel, majd időrendi sorrendben inkubáltuk másodlagos ellenanyaggal (egér és nyúl, Alexa Fluor 2. ab, 1 : 500), amelyet 1% BSA-ban hígítottunk PBS-ben, szobahőmérsékleten, sötétben két órán át. Végül a mintákat kétszer két percig PBS-szel mostuk, majd DAPI-tartalmú montírozó közeggel fedtük le. A képeket Zeiss Axiovert mikroszkóppal (Zeiss, Németország) és Axiovision Rel. 4.5 elemző rendszerrel (Zeiss, Németország) készítettük.
3. Eredmények és megbeszélés
3.1. Eredmények és megbeszélés
3.1. Eredmények és megbeszélés. Fájdalommérési séma
Az elektromos ingerléshez a patkányokat hashártyán belüli injekcióval klorálhidrát (300 mg/kg) alkalmazásával érzéstelenítették, és a patkányok szőrzetét eltávolították. Az EKG-elektródát a patkány jobb szárnyára erősítettük az elektromos ingerléshez, amint az a 2. a) ábrán látható. Az elektromos ingerlést a patkány bal szárnyán alkalmaztuk. Az alkalmazott feszültséget fokozatosan növelték 0 és 50 V között. Az egyes patkányoknál mért áramérték 12,5 és 92 μA között volt, amint azt a 2. ábra (b) mutatja. A patkány reagáló viselkedését nem figyeltük meg, mivel az elektromos ingerlést altatásban végeztük. Azonban azt várjuk, hogy az ingerlés mindig mérhető a fizikai vagy bőrállapottól függetlenül a patkány fiziológiai tényezőivel kapcsolatos feszültség, áram és ellenállás azonosításával.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
A nyomás-doloriméteres vizsgálatban a patkányt érzéstelenítés nélkül egy lekötözőkamrába helyezték, amint az a 2. ábra (c) ábráján látható. A gyulladást a jobb hátsó mancsba adott karragén injekcióval idéztük elő. A karragenánt a nociceptív fájdalom megerősítésére használtuk. Az általunk épített berendezés is a nociceptív fájdalom első azonosítására készült. A gyulladás szintjét a karragén mennyiségével szabályoztuk, amelyet 100-ról 200 μl 1%-os (w/v) oldatról 200 μl-re növeltünk. Kontrollként 100 μl sóoldatot injektáltunk a bal hátsó mancs intraplantáris régiójába. A gyulladt jobb hátsó mancsot kézi típusú nyomásstimulátorral stimuláltuk, amint azt az S1. ábra mutatja. A patkány reagált a nyomásstimulációra. Hipotézisünk szerint a patkányban a nyomásválasz küszöbértéke a gyulladás mértékétől függ. A gyulladás kifejeződése a patkány hátsó mancsában utánozza a klinikai gyakorlatban előforduló betegség szintjét. A hátsó mancs térfogatának és méretének növekedését a gyulladásnak megfelelően mértük minden egyes időpontban a karragén injekciót követően. A hátsó mancsok térfogatát pletizmométerrel (7140-es modell pletizmométer, Ugo Basile, Olaszország), a mancsok szélességét és vastagságát pedig mérőkaliberrel (CD-6P modell; Mitutoyo, Tokió, Japán) mértük. A nyomásstimulációt akkor alkalmaztuk, amikor a gyulladás kifejeződése elérte a maximumot. A patkányok válaszát a nyomásszint növelésével figyeltük meg, és a nyomásküszöböt a gyulladás mértékével hasonlítottuk össze.
3.2. Elektromos ingerlés
Azért, hogy meggyőződjünk arról, hogy az alkalmazott elektromos ingerlés csak fájdalmat váltott ki anélkül, hogy károsította volna a patkányt, az ingerelt szöveteket szövettani és gyulladásos szempontból megvizsgáltuk. A 3. ábra a H&E-festett szövetek makroszkópos képeit mutatja, amelyeket 0 és 50 V közötti feszültség növelésével elektromos úton stimuláltak. A szövetek egyik csoportját közvetlenül az elektromos ingerlés után festettük meg (bal oldali oszlop), a másikat pedig egy nappal az ingerlés után (jobb oldali oszlop).
A kontrollcsoportban a szövetek normálisak voltak. Az elektromosan terhelt szövetekben nem volt különbség a kontrollszövethez képest, annak ellenére, hogy a feszültség 50 V-ra emelkedett. 24 órával az elektromos ingerlés után nem észleltek rendellenességeket. Az elektromos ingerlés gyulladásos és apoptotikus hatását egyaránt vizsgáltuk a kaszpáz-3 és a COX-2 kettős immunfluoreszcens festésével. A 4. ábra a kettős immunfluoreszcens festés eredményeit mutatja a normál (nem stimulált) és a stimulált (10 és 50 V-on) szövetek esetében. A szövetekben sem közvetlenül az elektromos ingerlés után, sem egy nap elteltével nem volt gyulladáskifejeződés vagy apoptózis, ami megerősíti, hogy az elektromos ingerlés csak fájdalmat okozott, és nem okozott szövetkárosodást.
3.3. Nyomás-doloriméter
A patkány jobb hátsó mancsát karragénnel kezeltük a gyulladás kiváltása érdekében, és a hátsó mancsot felülről és oldalnézetből fényképeztük, amint az az 5. ábrán látható. Az egyik csoportot kontrollként nem kezelték karragénnel, a másik csoportot pedig negatív kontrollként sóoldattal kezelték (5. a) ábra). Az 1%-os karragént különböző mennyiségben, 100 μl, 150 μl és 200 μl mennyiségben adtuk be. A karragénnel kezelt hátsó mancsok mindegyikénél gyulladásos tüneteket, ödémát és bőrpírt észleltünk, míg a kontroll és a sóoldattal kezelt csoportoknál nem jelentkeztek tünetek. A karragén gyulladásos hatását egyértelműen kimutatta a H&E festés. Amint az 5. b) ábrán látható, a kontroll és a sóoldattal kezelt csoportok egészséges szöveti állapotot mutattak. Azonban az összes karragénnel kezelt csoportban infiltrált gyulladásos sejtek felhalmozódása volt megfigyelhető, amit nyilakkal jeleztek. A jobb oldali kép a kontroll, a sóoldattal és a karragénnel kezelt patkány jobb hátsó mancsa, a bal oldali kép pedig az 5(b) ábrán látható patkány bal hátsó mancsa.
A gyulladás előrehaladása során a hátsó mancs térfogatát és méretét (szélesség × magasság) plethysmometriával és kalibrátorral mérték. A mérést közvetlenül a sóoldat és a karragén injekció beadása után végeztük, majd nyolc órán keresztül folytattuk. Minden karragénnel kezelt csoportban a hátsó mancsok térfogata és mérete 6 óráig fokozatosan nőtt, az ödéma azonban az idő további növekedésével csökkent (6(a) és 6(b) ábra). A kontroll és a sóoldattal kezelt csoportokban a térfogat és a méret nem változott. Az ödéma mérése után (6(a) és 6(b) ábra) a karragén injekció koncentrációja alapján a karragén injekció beadása után 6 órával az ödéma maximális állapotában megerősítettük a patkányok cselekvési szempontját (nyomás) (6(c) ábra). Ezt a mérést azért végeztük, hogy a klinikai gyulladásos állapotra vonatkozó különféle információkat gyűjtsünk. A kontroll- és a sóoldatos csoportban a nyomásvizsgálat eredményei nem mutattak szignifikáns változást. A karragénnel kiváltott mancsödéma csoportban a nyomásértékekben különbséget tudtunk tenni a megfigyelt gyulladás függvényében. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy meg tudtuk határozni a fájdalom mértékét a különböző gyulladásszintek szerint. Ebben a vizsgálatban a karragént használtuk az akut gyulladás értékelésére; a krónikus gyulladás értékelését a Complete Freund’s Adjuvant segítségével fogjuk értékelni.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
4. Következtetések
Kifejlesztettünk egy fájdalommérő rendszert a fájdalom objektív és kvantitatív értékelésére. A keresztvalidáláshoz a rendszer elektromos stimulációs és nyomáskomponensekből is állt. Mielőtt ezt a rendszert klinikai környezetben alkalmaztuk volna, a rendszer biztonságosságát és megbízhatóságát állatmodell segítségével igazoltuk. Az elektromos stimuláció nem okozott semmilyen károsodást, beleértve a szöveti gyulladást és apoptózist. A nyomásvizsgálat során a mért nyomásértékek a gyulladás mértékétől függtek. A fájdalommérő rendszerünk rövid mérési időt igényel, és patkányszöveten alkalmazva nem váltott ki gyulladást. Jelenleg a kutatás-fejlesztésünk befejeződött és készen áll a kereskedelmi forgalomba hozatalra. A leggyakrabban használt rész a nociceptív fájdalom lesz. A rehabilitációs orvostudományi osztályon használják, és a jövőben az idegsebészeti fájdalmat (neuropátiás fájdalom) fogják alkalmazni. Bár még sok a kihívás, ez a fájdalommérő rendszer izgalmas lehetőségeket nyújthat a különböző betegségek diagnosztizálásában és kezelésében.
Érdekütközések
A szerzők kijelentik, hogy nem állnak összeférhetetlenségben.
Köszönet
Ezt a kutatást a “Szoftverkonvergencia Technológia Fejlesztési Program” támogatta a Tudományos, IKT és Jövőtervezési Minisztériumon keresztül (ITAS017716011029000101000200200) és a Koreai Kereskedelmi, Ipari és Energiaügyi Minisztérium (MOTIE) a Kreatív és Ipari Konvergencia Oktatási Programon keresztül (Grant no. N0000717) és a Koreai Nemzeti Kutatási Alapítvány (NRF) által finanszírozott, a koreai kormány Oktatási, Tudományos és Technológiai Minisztériuma által nyújtott támogatás (2011-0030072).
Kiegészítő anyagok
A cikkhez kapcsolódó kiegészítő adatok az online változatban találhatók. S1 ábra: a kézi típusú nyomás-doloriméter a nyomásérzékelő és a kijelző alkatrészeivel. S2. ábra: a karragénnel kiváltott mancsödéma időbeli lefolyását bemutató kép 100 μl injekciós térfogat után. S3. ábra: a karragénnel kiváltott mancsödéma időbeli lefolyását bemutató kép 150 μl injekciót követően. S4. ábra: a karragénnel kiváltott mancsödéma időbeli lefolyását bemutató kép 200 μl injekciós térfogat után. (Kiegészítő anyagok)