Abstract
Inzicht in en nauwkeurige beoordeling van het pijnniveau zijn sleutelfactoren in de revalidatietherapie. Pijn is een complexe en subjectieve ervaring die wordt beïnvloed door de emotie en de gezondheidstoestand van het individu. Er zijn verschillende methoden ontwikkeld voor kwantitatieve evaluatie van het pijnniveau; deze methoden hebben echter verschillende nadelen. In dit werk hebben wij een pijnmeetsysteem ontwikkeld voor kwantitatieve pijnbeoordeling. Het systeem bestaat uit twee delen, een component voor elektrische stimulatie en een drukdolorimeter, voor toepassing van twee verschillende spanningen. Wat betreft elektrische stimulatie, wordt de mate van pijn beoordeeld door de toegepaste stroom. De huidweerstand werd ook geanalyseerd door stroom toe te passen om de effecten veroorzaakt door huidaandoeningen te verwijderen. De elektrische stimulatie veroorzaakte geen histologische veranderingen of ontstekingen in de weefsels. Met behulp van de drukdolorimeter werd het pijnniveau beoordeeld aan de hand van de graad van ontsteking. Dit systeem zou kunnen worden gebruikt voor de kwantitatieve beoordeling van pijn veroorzaakt door ontstekingen, wonden en andere factoren. Aangezien het beschreven systeem het eerste in zijn soort is, zijn er nog veel problemen die moeten worden opgelost. Echter, met voortdurende ontwikkeling, zou ons systeem een meer nauwkeurige pijn beoordeling kunnen geven door het verwijderen van huidconditie effecten en door cross-validatie.
1. Inleiding
Bepaling van de pijnschaal van een patiënt is een belangrijke kwestie tijdens revalidatie. Pijnmeting is echter moeilijk omdat het een complexe gewaarwording is die samenhangt met persoonlijke kenmerken en ervaring . Verschillende methoden zijn ontwikkeld om de pijnschaal te beoordelen, waaronder Visual Analog Scale (VAS), Numerical Rating Scale (NRS), Verbal Rating Scale (VRS), FACES Pain Rating Scale (FPRS), en McGill Pain Questionnaire (MPQ) . VAS en FPRS worden voornamelijk gebruikt in klinische settings. De VAS is ontworpen als een rechte lijn van vaste lengte, 10 centimeter. De uiteinden worden gedefinieerd als de uiterste grenzen van de te meten parameter, gaande van “geen pijn” tot de “ergst denkbare pijn”. De patiënten markeren op de lijn de intensiteit van de pijn die zij op dat moment ervaren. De NRS instrueert de patiënten om een getal van 0 tot 10 te kiezen dat hun huidige pijnintensiteit het best beschrijft. 0 betekent “geen pijn” en 10 betekent “ergst mogelijke pijn”. De VRS is een methode om de pijn te evalueren die wordt uitgedrukt in woorden in plaats van getallen. Patiënten kiezen een zin zoals geen pijn, matige pijn, ernstige pijn, zeer ernstige pijn, en ergst mogelijke pijn om hun pijngevoel te beschrijven. De FPRS is een zes-punts pijnschaal met zes verschillende gezichten die oplopende pijnniveaus vertegenwoordigen. De patiënten wordt gevraagd de uitdrukking te kiezen die de pijnintensiteit het best karakteriseert, van “geen pijn” tot “ernstige pijn”. Al deze methoden zijn subjectief en afhankelijk van persoonlijke ervaring en emotie. Daarom zijn er aanzienlijke individuele variaties in de beoordeelde pijn die resulteren in een moeilijke kwantitatieve evaluatie.
Recentelijk werd een kwantitatieve pijn-beoordelingsmethode met behulp van elektrische stimulatie geïntroduceerd. PainVision™-apparaten meten de perceptiedrempel en de pijn die door een elektrische stroom wordt veroorzaakt. Dit systeem kwantificeert de pijnintensiteit door de ervaren pijn te vergelijken met de intensiteit van de elektrische waarnemingen. De waarnemingsdrempel geeft de minimale elektrische stroom aan die door het individu wordt waargenomen, en de geproduceerde pijn wordt gedefinieerd als de maximale elektrische stroom die door het individu wordt waargenomen. De huidweerstand van een individu kan echter het elektrische meetresultaat beïnvloeden.
De belangrijkste factoren bij de ontwikkeling van een pijnmeetinstrument zijn objectiviteit, nauwkeurigheid, en kwantitatieve beoordeling. PainVision is een systeem dat patiënten in staat stelt metingen te verrichten ongeacht de huidweerstand. De huidweerstand varieert met de conditie en de omgeving van de patiënt. Het is moeilijk om de correlatie met eerdere metingen te verklaren als de pijn wordt gemeten zonder rekening te houden met de huidweerstand. Maar, ons systeem meet eerst de huidweerstand van de patiënt voordat de pijn wordt gemeten.
Nadat de basiswaarde van de huidweerstand van de patiënt is bepaald, wordt de pijn gemeten. Dat wil zeggen, de huidweerstand waarde is een standaard. Wanneer de referentiewaarde is voorbereid, wordt een beschrijving van de correlatie van de voor en na de pijnmeting gemeten pijnwaarden mogelijk.
In dit werk hebben wij een pijnmeettoestel ontwikkeld dat twee analysemethoden heeft, elektrische stimulatie en het uitoefenen van druk, voor een nauwkeurigere kruisvalidatiebeoordeling. Tijdens elektrische stimulatie wordt elektrische spanning uitgeoefend op een niet-pijnlijke plaats en dan kan de waargenomen spanning worden vergeleken met pijn. De elektrisch gestreste weefsels werden histologisch onderzocht om na te gaan of de elektrische stimulatie weefselschade had veroorzaakt. Tijdens de evaluatie van de druk werd de pijn beoordeeld door druk uit te oefenen op de pijnlijke plaats. Ontsteking werd opgewekt in de achterpoot van de rat door carrageen, en vervolgens werd de ontstoken achterpoot gestimuleerd met een hand-type drukstimulator. De drukplaats werd dan vergeleken met de ontstekingsniveaus.
2. Materiaal en Methoden
2.1. Principe en componenten van het pijnmeettoestel
Het pijnmeettoestel werd ontwikkeld voor kwantitatieve pijnanalyse. Het apparaat bestaat uit twee grote delen, waaronder een component voor elektrische stimulatie en een drukdolorimeter, zoals weergegeven in figuur 1. De stimulatie kon afzonderlijk op het individu worden toegepast, hetzij elektrisch, hetzij via druk. Door de reactie op de elektrische stimulatie en op de druk te vergelijken, konden nauwkeuriger resultaten worden verkregen. Tijdens de elektrische stimulatie wordt de door de patiënten ervaren pijn vervangen door elektrische stimulatie; namelijk de toegepaste stroomwaarde wordt vertaald naar een ervaren of ervaren pijnwaarde. Door tegelijkertijd de elektrische stimulatie en de huidweerstand te evalueren, verwachten wij ook de pijn objectief te kunnen evalueren, ondanks wisselende omstandigheden zoals veranderingen van huid en lichaam, weers- of omgevingsomstandigheden. Bij gebruik van de drukdolorimeter wordt de druk rechtstreeks op de pijnlijke plaats uitgeoefend en wordt het begin van de pijn gemeten aan de hand van de hoeveelheid druk.
Het pijnmeetsysteem maakt gebruik van vijf knoppen, waaronder de aan/uit-knop, ES (elektrische stimulatie), PS (drukstimulatie), EB (noodknop), en SS (stopknop). ES en PS worden gebruikt om elektrische stimulatie en drukstimulatie op de patiënt toe te passen. EB is een knop voor het uitschakelen van de stroom in geval van nood, en SS is een knop die wordt gebruikt aan het einde van de pijnmetingen. De elektrische stimulatiecomponent was verbonden met twee elektroden voor het meten van de waargenomen stroom (50 Hz, pulsbreedte 0,3 ms) en de pijndrempel. De twee elektroden zijn geplaatst op een vlakke plaats, zoals de flank van een dier of de mediale onderarm van een mens. Het elektrische stimulatiesysteem levert hetzelfde niveau van stimulatie en dezelfde stimulusintensiteit als pijn; de Ad-vezel geleidt hoofdzakelijk het pijnsignaal (elektrisch signaal). De druk dolorimeter is verbonden met een tip-type druksensor van een hand stimulator. De stop-schakelaar werd ingedrukt wanneer de deelnemer pijn voelde.
2.2. Animal Model Preparation
Adulte mannelijke Sprague-Dawley ratten (Raon Bio. Inc., Yongin, Korea) met een gewicht van 250-350 g en 49-56 dagen oud werden gehouden onder een 12 h licht/12 h donker cyclus (lichten om 06:00 h) bij 24 ± 0,5 ° C in een centrale dierverzorgingsfaciliteit. Water en rattenvoer werden ad libitum verstrekt totdat de experimenten begonnen. Alle dierproeven werden goedgekeurd door het Comite Dierproeven in het College of Medicine, Kyung Hee University (KHUASP (SE)-15-084), en werden behandeld in strikte overeenstemming met de National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.
2.3. Histologisch onderzoek
Ratten werden ofwel elektrisch gestimuleerd ofwel behandeld met carrageen om pijn op te wekken. De ontstekingsreacties geïnduceerd door de twee verschillende behandelingen werden vergeleken door histologische evaluatie. De ratten werden intracardiaal geperfundeerd met koude PBS die heparine (0,2 U/ml) en 4% paraformaldehyde bevatte en vervolgens opgeslagen in 4% paraformaldehyde. De gestresste weefsels als gevolg van elektrische en carrageen stimulatie werden doorgesneden en geplaatst in inbeddingscassettes. Elk monster werd ingebed in paraffinewas en vervolgens gesneden in 5 pm dikke monsters met behulp van een roterend microtoom (HM340E, Microm, Walldorf, Duitsland). Het doorgesneden monster werd gekleurd met hematoxyline en eosine (H&E) en vervolgens geanalyseerd onder een Nikon omgekeerde onderzoeksmicroscoop Ti-E en een Nikon Ds-Ri1 digitale camera bestuurd door Nis-Elements (Br) software (Nikon Inc., Kawasaki, Japan).
2.4. Immunofluorescentie Staining
De effecten van elektrische stimulatie op ontsteking en apoptose van de weefsels werden onderzocht door immunofluorescentie. Het elektrisch gestimuleerde weefsel van de flank van ratten werd ingebed in paraffine en in 4 μm dikke monsters gesneden. Voor het terugwinnen van antigeen werden weefselsecties gedurende ongeveer tien minuten in TRS-buffer verhit en vervolgens driemaal met gedestilleerd water gewassen. De monsters werden behandeld met 0,03% H2O2 voor remming van endogene peroxidase activiteit en vervolgens gewassen met PBS-oplossing. Vervolgens werden de monsters permeabiliseerd met 0,5% Triton X-100 in PBS gedurende tien minuten bij kamertemperatuur en geblokkeerd met 5% geiten- en 1% runderserumalbumine in PBS gedurende één uur. De monsters werden tweemaal gewassen met PBS gedurende telkens tien minuten. De monsters werden een nacht bij 4°C geïncubeerd met een primair antilichaam, hetzij COX2 (verdund 1 : 1000) of caspase-3 (verdund 1 : 1000), verdund in 1% runderserumalbumine in PBS. De monsters werden viermaal gewassen met PBS en vervolgens in chronologische volgorde geïncubeerd met secundair antilichaam (muis en konijn, Alexa Fluor 2e ab, 1 : 500) verdund in 1% BSA in PBS bij kamertemperatuur in het donker gedurende twee uur. Tenslotte werden de monsters tweemaal gewassen met PBS gedurende twee minuten en vervolgens bedekt met DAPI-bevattend inbedmedium. Beelden werden verkregen met behulp van een Zeiss Axiovert microscoop (Zeiss, Duitsland) en Axiovision Rel. 4.5 Analysis System (Zeiss, Duitsland).
3. Resultaten en Discussie
3.1. Voor elektrische stimulatie werden de ratten verdoofd via intraperitoneale injectie met chloraalhydraat (300 mg/kg), en werd het haar van de rat verwijderd. De ECG-elektrode werd bevestigd aan de rechterflank van de rat voor elektrische stimulatie, zoals getoond in figuur 2 (a). De elektrische stimulatie werd toegepast op de linkerflank van de rat. De toegepaste spanning werd geleidelijk verhoogd van 0 tot 50 V. De stroomwaarde gemeten in elke rat varieerde van 12,5 tot 92 uA, zoals getoond in figuur 2 (b). Het responderende gedrag van de rat werd niet waargenomen omdat de elektrische stimulatie werd uitgevoerd onder verdoving. Echter, we verwachten dat stimulatie altijd kan worden gemeten, ongeacht de fysieke of huidconditie door het identificeren van de spanning, stroom en weerstand in verband met de fysiologische factoren van de rat.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
Figuur 2
Methode van pijn evaluatie metingen in diermodel, met behulp van het pijnmeetsysteem. (a) De rat werd bevestigd aan een bipolaire elektrode aan de rechterflankzijde. (b) De stroom-voltage plot voor meting van de huidweerstand volgens een geleidelijk toenemende pulserende spanning. (c) Rat werd vastgebonden voor 1 ~ 2 min in een rat restrainer voor druk stimulatie op carrageen geïnduceerde poot oedeem.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
In de druk dolorimeter test, werd de rat geplaatst in een beperkende kamer zonder verdoving, zoals getoond in figuur 2 (c). Ontsteking werd opgewekt door carrageen injectie in de rechter achterpoot. Carrageen werd gebruikt om nociceptieve pijn te bevestigen. De apparatuur die we bouwden was ook gemaakt om de nociceptieve pijn eerst te identificeren. De ontsteking niveaus werden gecontroleerd door de carrageen hoeveelheid, die werd verhoogd van 100 tot 200 ul van een 1% (w / v) oplossing. 100 ul zoutoplossing werd geïnjecteerd op de intra-plantaire regio van de linker achterpoot als een controle. De ontstoken rechter achterpoot werd gestimuleerd door een hand-type druk stimulator, zoals getoond in figuur S1. De rat reageerde op de drukstimulatie. Onze hypothese is dat de drempel van de drukrespons in de rat afhangt van de mate van ontsteking. Ontstekingsexpressie in de rat achterpoot bootst de ziekte niveaus in de klinische praktijk na. Toename van het volume en de grootte van de achterpoot afhankelijk van de ontsteking werden gemeten op elk tijdstip na de carrageen injectie. Het volume van de achterpoot werd gemeten met behulp van plethysmometrie (model 7140 plethysmometer, Ugo Basile, Italië), en schuifmaten (model CD-6P; Mitutoyo, Tokyo, Japan) werden gebruikt om de breedte en dikte van de poten van elke rat te meten. De druk stimulatie werd toegepast wanneer de ontsteking expressie maximaal bereikt. De rat reactie werd waargenomen door het verhogen van het drukniveau, en de drukdrempel werd vergeleken met de ontstekingsgraad.
3.2. Elektrische Stimulatie
Om te verifiëren dat de toegepaste elektrische stimulatie alleen pijn veroorzaakte zonder schade aan de rat, werden de gestimuleerde weefsels onderzocht in termen van histologie en ontsteking. Figuur 3 toont de macroscopische beelden van H&E-gekleurde weefsels die elektrisch werden gestimuleerd door oplopende spanning van 0 tot 50 V. Een groep van de weefsels werd gekleurd onmiddellijk na de elektrische stimulatie (linker kolom), en de andere werd gekleurd een dag na stimulatie (rechter kolom).
De controlegroep vertoonde normaal flankweefsel. Er werden geen verschillen waargenomen in de elektrisch gestreste weefsels in vergelijking met het controleweefsel, ook al nam de spanning toe tot 50 V. Er werden geen afwijkingen waargenomen 24 uur na elektrische stimulatie. Zowel inflammatoire als apoptotische effecten van de elektrische stimulatie werden onderzocht door dubbele immunofluorescentiekleuring voor caspase-3 en COX-2. Figuur 4 toont de resultaten van de dubbele immunofluorescentiekleuring voor normaal (niet-gestimuleerd) en gestimuleerd (bij 10 en 50 V) weefsel. Er was geen ontsteking expressie of apoptose in de weefsels onmiddellijk na elektrische stimulatie of na een dag, wat bevestigt dat elektrische stimulatie alleen pijn veroorzaakt en niet induceren weefselschade.
3.3. Druk Dolorimeter
De rechter achterpoot van de rat werd behandeld met carrageen om ontsteking te induceren, en de achterpoot werd gefotografeerd van boven-en laterale standpunten, zoals getoond in figuur 5. Eén groep werd niet behandeld met carrageen als controle, en de andere werd behandeld met een zoutoplossing als negatieve controle (figuur 5(a)). 1% carrageen werd geïnjecteerd in verschillende hoeveelheden van 100 ul, 150 ul, en 200 ul. De inflammatoire symptomen van oedeem en roodheid werden waargenomen in alle achterpoten behandeld met carrageen, terwijl de controle en zout-behandelde groepen toonden geen symptomen. Het ontstekingseffect van carrageen werd duidelijk onthuld door H&E kleuring. Zoals blijkt uit figuur 5(b), vertoonden de met zoutoplossing behandelde en controlegroepen een gezonde weefselstatus. Echter, de accumulatie van geïnfiltreerde ontstekingscellen werd waargenomen in alle carrageen-behandelde groepen zoals aangegeven door pijlen. De rechter afbeelding is een rechter achterpoot van een rat gebruikt voor controle, zoutoplossing, en carrageen, en de linker afbeelding is een linker achterpoot van de rat in figuur 5 (b).
Tijdens de voortgang van de ontsteking werden zowel het volume als de grootte (breedte × hoogte) van de achterpoot gemeten met behulp van plethysmometrie en schuifmaat. De meting werd uitgevoerd onmiddellijk na de zoutoplossing en carrageen injectie en vervolgens voortgezet gedurende acht uur. In alle met carrageen behandelde groepen namen zowel het volume als de grootte van de achterpoten geleidelijk toe met de tijd tot 6 uur; het oedeem nam echter af met de verdere toename van de tijd (Figuren 6(a) en 6(b)). De controle en zoutoplossing behandelde groepen vertoonden geen veranderingen in volume en grootte. Na het meten van oedeem (figuren 6 (a) en 6 (b)) op basis van carrageen injectie concentratie, bevestigden we de rat aspect van de actie (druk) in de maximale toestand van oedeem 6 h na carrageen injectie (figuur 6 (c)). Deze meting werd uitgevoerd om een verscheidenheid van informatie over de klinische ontstekingstoestand te verzamelen. In de controle en zoutoplossing groepen, de druk testresultaten toonden geen significante veranderingen. In de carrageen-geïnduceerde pootoedeem groep, waren we in staat om verschillen in drukwaarden te onderscheiden, afhankelijk van de waargenomen ontsteking. Deze resultaten geven aan dat we de mate van pijn konden bepalen aan de hand van verschillende ontstekingsniveaus. In deze studie werd carrageen gebruikt om acute ontsteking te evalueren; beoordeling van chronische ontsteking zal worden beoordeeld met behulp van Complete Freund’s Adjuvant.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
4. Conclusies
Wij ontwikkelden een pijnmeetsysteem voor objectieve en kwantitatieve pijnbeoordeling. Voor kruisvalidatie bestond het systeem uit zowel elektrische stimulatie als drukcomponenten. Alvorens dit systeem in een klinische setting toe te passen, werden de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem bevestigd met behulp van een diermodel. De elektrische stimulatie veroorzaakte geen schade, met inbegrip van weefselontsteking en apoptose. Bij de druktest waren de gemeten drukwaarden afhankelijk van de mate van ontsteking. Ons pijnmeetsysteem vereist een korte meettijd en veroorzaakte geen ontsteking bij toepassing op rattenweefsel. Op dit moment is ons onderzoek en ontwikkeling afgerond en klaar voor commercialisering. Het meest gebruikte onderdeel zal nociceptieve pijn zijn. Het wordt gebruikt op de afdeling revalidatiegeneeskunde, en neurochirurgische pijn (neuropathische pijn) zal in de toekomst worden toegepast. Hoewel er nog veel uitdagingen zijn, kan dit pijnmeetsysteem opwindende mogelijkheden bieden voor de diagnose en behandeling van verschillende ziekten.
Conflicts of Interest
De auteurs verklaren dat zij geen belangenconflicten hebben.
Acknowledgments
Dit onderzoek werd ondersteund door het “Software Convergence Technology Development Program,” via het Ministerie van Wetenschap, ICT en Toekomstplanning (ITAS0177160110290001000200200) en het Ministerie van Handel, Industrie en Energie (MOTIE), Korea, via het Onderwijsprogramma voor Creatieve en Industriële Convergentie (Grant no. N0000717) en National Research Foundation of Korea (NRF) subsidie gefinancierd door de Koreaanse regering ministerie van Onderwijs, Wetenschap en Technologie (nr. 2011-0030072).
Aanvullend materiaal
Aanvullende gegevens in verband met dit artikel zijn te vinden in de online versie. Figuur S1: de hand-type druk dolorimeter met druksensor en display componenten. Figuur S2: een beeld met het tijdsverloop van carrageen geïnduceerde poot oedeem na een 100 pi injectievolume. Figuur S3: een beeld dat het tijdsverloop toont van door carrageen geïnduceerd pootoedeem na een injectievolume van 150 μl. Figuur S4: een beeld met het tijdsverloop van carrageen geïnduceerde poot oedeem na een 200 pi injectievolume. (Aanvullende materialen)