Abstract
Înțelegerea și evaluarea precisă a nivelului durerii sunt factori cheie în terapia de reabilitare. Durerea este o experiență complexă și subiectivă care este afectată de emoțiile și de condițiile de sănătate ale unui individ. Au fost dezvoltate diverse metode pentru evaluarea cantitativă a nivelului durerii; cu toate acestea, aceste metode au mai multe dezavantaje. În această lucrare, am dezvoltat un dispozitiv de măsurare a durerii pentru evaluarea cantitativă a durerii. Sistemul este format din două părți, o componentă pentru stimularea electrică și un dolorimetru de presiune, pentru aplicarea a două tensiuni diferite. În ceea ce privește stimularea electrică, gradul de durere este evaluat în funcție de curentul aplicat. Rezistența pielii a fost, de asemenea, analizată prin aplicarea curentului pentru a elimina efectele cauzate de afecțiunile pielii. Stimularea electrică nu a indus modificări histologice sau inflamații la nivelul țesuturilor. Cu ajutorul dolorimetrului de presiune, nivelul durerii a fost evaluat în funcție de gradul de inflamație. Acest sistem ar putea fi utilizat pentru evaluarea cantitativă a durerii induse de inflamații, răni și alți factori. Deoarece sistemul descris este primul de acest tip, există multe probleme care rămân de rezolvat. Cu toate acestea, cu o dezvoltare continuă, sistemul nostru ar putea oferi o evaluare mai precisă a durerii prin eliminarea efectelor stării pielii și prin validare încrucișată.
1. Introducere
Evaluarea scalei de durere a unui pacient este o problemă importantă în timpul reabilitării. Cu toate acestea, măsurarea durerii este dificilă deoarece este o senzație complexă asociată cu caracteristicile și experiența personală . Au fost dezvoltate diverse metode de evaluare a scalei durerii, inclusiv Visual Analog Scale (VAS), Numerical Rating Scale (NRS), Verbal Rating Scale (VRS), FACES Pain Rating Scale (FPRS) și McGill Pain Questionnaire (MPQ) . Dintre acestea, VAS și FPRS au fost utilizate în principal în mediul clinic . VAS este conceput ca o linie dreaptă de lungime fixă, de 10 centimetri. Capetele sunt definite ca fiind limitele extreme ale parametrului care urmează să fie măsurat orientate de la „nicio durere” la „cea mai gravă durere imaginabilă”. Pacienții marchează pe linia corespunzătoare intensității durerii pe care o resimt în prezent. NRS îi instruiește pe pacienți să aleagă un număr de la 0 la 10 care descrie cel mai bine intensitatea durerii lor actuale. 0 înseamnă „nicio durere” și 10 înseamnă „cea mai mare durere posibilă”. VRS este o metodă de evaluare a durerii care este exprimată în cuvinte în loc de numere. Pacienții aleg o propoziție cum ar fi nicio durere, durere moderată, durere severă, durere foarte severă și cea mai gravă durere posibilă pentru a-și descrie senzația de durere. FPRS este o scală de durere în șase puncte, cu șase fețe diferite care reprezintă niveluri de durere în creștere. Pacienților li se cere să selecteze expresia care caracterizează cel mai bine intensitatea durerii, de la „nicio durere” la „durere severă”. Toate aceste metode sunt subiective și depind de experiența personală și de emoții. Prin urmare, există variații individuale considerabile în ceea ce privește durerea evaluată, ceea ce duce la o evaluare cantitativă dificilă.
Recent, a fost introdusă o metodă cantitativă de evaluare a durerii folosind stimularea electrică . Dispozitivele PainVision™ măsoară pragul de percepție și durerea produsă de un curent electric. Acest sistem cuantifică intensitatea durerii prin compararea durerii experimentate cu intensitatea percepțiilor electrice. Pragul de percepție indică curentul electric minim perceput de către individ, iar durerea produsă este definită ca fiind curentul electric maxim perceput de către individ. Cu toate acestea, rezistența cutanată a unui individ poate afecta rezultatul măsurătorii electrice .
Cei mai importanți factori în dezvoltarea unui dispozitiv de măsurare a durerii sunt obiectivitatea, acuratețea și evaluarea cantitativă. PainVision este un sistem care permite pacienților să facă măsurători indiferent de rezistența pielii. Rezistența pielii variază în funcție de starea și de mediul în care se află pacientul. Este dificil de explicat corelația cu măsurătorile anterioare dacă durerea este măsurată neglijând rezistența cutanată. Dar, sistemul nostru măsoară din rezistența cutanată a pacientului înainte de a măsura durerea.
După determinarea valorii de bază a rezistenței cutanate a pacientului, se măsoară durerea. Adică, valoarea rezistenței cutanate este un standard. Când valoarea de referință este pregătită, devine posibilă o descriere a corelației dintre valorile durerii măsurate înainte și după măsurarea durerii.
În această lucrare, am dezvoltat un dispozitiv de măsurare a durerii care are două metode de analiză, stimularea electrică și aplicarea presiunii, pentru o evaluare mai precisă a validării încrucișate. În timpul stimulării electrice, se aplică o tensiune electrică pe un loc fără durere și apoi tensiunea observată poate fi comparată cu durerea. Țesuturile solicitate electric au fost examinate histologic pentru a identifica dacă stimularea electrică a provocat leziuni tisulare. În timpul evaluării presiunii, durerea a fost evaluată prin aplicarea unei presiuni pe locul durerii. Inflamația a fost indusă pe laba posterioară a șobolanului cu caragenan, iar apoi laba posterioară inflamată a fost stimulată cu un stimulator de presiune de tip manual. Situl de presiune a fost apoi comparat cu nivelurile de inflamație.
2. Material și metode
2.1. Principiul și componentele dispozitivului de măsurare a durerii
Dispozitivul de măsurare a durerii a fost dezvoltat pentru analiza cantitativă a durerii. Dispozitivul este alcătuit din două părți principale, inclusiv o componentă pentru stimularea electrică și un dolorimetru de presiune, așa cum se arată în figura 1. Stimularea ar putea fi aplicată separat individului, fie electric, fie prin presiune. Prin compararea răspunsului la stimularea electrică și la presiune, am putut obține rezultate mai precise. În timpul stimulării electrice, durerea resimțită de pacienți este înlocuită cu stimularea electrică; mai exact, valoarea curentului aplicat este transpusă într-o valoare a durerii resimțite sau experimentate. De asemenea, prin evaluarea stimulării electrice și a rezistenței cutanate în același timp, ne așteptăm să evaluăm în mod obiectiv durerea în ciuda condițiilor variabile, cum ar fi schimbările de la nivelul pielii și al corpului, a vremii sau a condițiilor de mediu. În timp ce se utilizează dolorimetrul de presiune, presiunea este aplicată direct pe locul durerii, iar debutul durerii este măsurat prin cantitatea de presiune.
Dispozitivul de măsurare a durerii utilizează cinci butoane, inclusiv butonul de alimentare, ES (stimulare electrică), PS (stimulare prin presiune), EB (buton de urgență) și SS (întrerupător de oprire). ES și PS sunt utilizate pentru aplicarea stimulării electrice și de presiune asupra individului. EB este un buton de oprire a alimentării, disponibil în caz de urgență, iar SS este un buton utilizat la finalul măsurătorilor durerii. Componenta de stimulare electrică a fost conectată cu doi electrozi pentru măsurarea curentului perceput (50 Hz, lățimea impulsului 0,3 ms) și a pragului durerii. Cei doi electrozi sunt plasați pe un loc plat, cum ar fi flancul unui animal sau antebrațul medial al unui om. Sistemul de stimulare electrică oferă același nivel de stimulare și intensitate a stimulului ca și durerea; fibra Ad conduce în principal semnalul durerii (semnal electric). Dolorimetrul de presiune este conectat la un senzor de presiune de tip vârf al unui stimulator de mână. Comutatorul de oprire a fost apăsat atunci când participantul a simțit durere.
2.2. Pregătirea modelului animal
Șobolani adulți masculi Sprague-Dawley (Raon Bio. Inc., Yongin, Coreea) care cântăresc 250-350 g și au o vârstă de 49-56 de zile au fost ținuți sub un ciclu de 12 h lumină/12 h întuneric (lumina la ora 06:00) la 24 ± 0,5°C într-o unitate centrală de îngrijire a animalelor. Apa și hrana pentru șobolani au fost furnizate ad libitum până la începerea experimentelor. Toate experimentele pe animale au fost aprobate de Comitetul pentru experimente pe animale din cadrul Colegiului de Medicină al Universității Kyung Hee (KHUASP(SE)-15-084) și au fost tratate în strictă conformitate cu Ghidul pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator al Institutelor Naționale de Sănătate (National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals)
2.3. Examinare histologică
Racii au fost fie stimulați electric, fie tratați cu caragenan pentru a induce durere. Răspunsurile inflamatorii induse de cele două tratamente diferite au fost comparate prin evaluare histologică. Șobolanii au fost perfuzați intracardial cu PBS rece care conținea heparină (0,2 U/ml) și paraformaldehidă 4% și apoi au fost depozitați în paraformaldehidă 4%. Țesuturile stresate rezultate în urma stimulării electrice și cu caragenan au fost secționate și plasate în casete de încorporare. Fiecare probă a fost încorporată în ceară de parafină și apoi secționată în probe de 5 μm grosime cu ajutorul unui microtometru rotativ (HM340E, Microm, Walldorf, Germania). Proba secționată a fost colorată cu hematoxilină și eozină (H&E) și apoi analizată la un microscop de cercetare inversat Nikon Ti-E și o cameră digitală Nikon Ds-Ri1 controlată de software-ul Nis-Elements (Br) (Nikon Inc., Kawasaki, Japonia).
2.4. Colorarea prin imunofluorescență
Efectele stimulării electrice asupra inflamației și apoptozei țesuturilor au fost investigate prin imunofluorescență. Țesutul flancului stimulat electric al șobolanilor a fost încorporat în parafină și secționat în probe de 4 μm grosime. Pentru recuperarea antigenului, secțiunile de țesut au fost încălzite în tampon TRS timp de aproximativ zece minute și apoi au fost spălate cu apă distilată de trei ori. Probele au fost tratate cu 0,03% H2O2 pentru inhibarea activității peroxidazei endogene și apoi au fost spălate cu soluție PBS. Apoi, probele au fost permeabilizate cu 0,5% Triton X-100 în PBS timp de zece minute la temperatura camerei și blocate cu 5% albumină serică de capră și 1% albumină serică bovină în PBS timp de o oră. Probele au fost spălate cu PBS de două ori timp de zece minute fiecare. Probele au fost incubate peste noapte la 4°C cu un anticorp primar, fie COX2 (diluat 1:1000), fie caspaza-3 (diluat 1:1000), diluat în 1% albumină serică bovină în PBS. Probele au fost spălate de patru ori cu PBS și apoi au fost incubate în ordine cronologică cu un anticorp secundar (șoarece și iepure, Alexa Fluor 2nd ab, 1 : 500) diluat în 1% BSA în PBS la temperatura camerei, la întuneric, timp de două ore. În cele din urmă, probele au fost spălate de două ori cu PBS timp de două minute și apoi acoperite cu mediu de montaj care conține DAPI. Imaginile au fost achiziționate cu ajutorul unui microscop Zeiss Axiovert (Zeiss, Germania) și al sistemului de analiză Axiovision Rel. 4.5 (Zeiss, Germania).
3. Rezultate și discuții
3.1. Schema de măsurare a durerii
Pentru stimularea electrică, șobolanii au fost anesteziați prin injecție intraperitoneală cu hidrat de cloral (300 mg/kg), iar părul șobolanului a fost îndepărtat. Electrodul ECG a fost atașat la flancul drept al șobolanului pentru stimularea electrică, așa cum se arată în figura 2(a). Stimularea electrică a fost aplicată pe flancul stâng al șobolanului. Tensiunea aplicată a fost crescută treptat de la 0 la 50 V. Valoarea curentului măsurat la fiecare șobolan a variat între 12,5 și 92 μA, după cum se arată în figura 2(b). Comportamentul de răspuns al șobolanului nu a fost observat deoarece stimularea electrică a fost efectuată sub anestezie. Cu toate acestea, ne așteptăm ca stimularea să poată fi întotdeauna măsurată indiferent de starea fizică sau cutanată prin identificarea tensiunii, curentului și rezistenței legate de factorii fiziologici ai șobolanului.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
În testul de dolorimetrie prin presiune, șobolanul a fost plasat într-o cameră de imobilizare fără anestezic, așa cum se arată în figura 2(c). Inflamația a fost indusă prin injectarea de caragenan în laba posterioară dreaptă. Carrageenanul a fost utilizat pentru a confirma durerea nociceptivă. Echipamentul pe care l-am construit a fost realizat, de asemenea, pentru a identifica mai întâi durerea nociceptivă. Nivelurile de inflamație au fost controlate de cantitatea de caragenan, care a fost crescută de la 100 la 200 μl dintr-o soluție de 1% (p/v). 100 μl de soluție salină a fost injectată în regiunea intraplantare a labei posterioare stângi ca martor. Laba posterioară dreaptă inflamată a fost stimulată cu ajutorul unui stimulator de presiune de tip manual, așa cum se arată în figura S1. Șobolanul a răspuns la stimularea prin presiune. Ipoteza noastră este că pragul de răspuns la presiune la șobolan depinde de gradul de inflamație. Expresia inflamației în laba posterioară a șobolanului imită nivelurile de boală din practica clinică. Creșterile volumului și dimensiunii labei posterioare în funcție de inflamație au fost măsurate la fiecare punct de timp după injectarea caragenanului. Volumele labei posterioare au fost măsurate prin pletismometrie (pletismometru model 7140, Ugo Basile, Italia), iar pentru măsurarea lățimii și grosimii labei la fiecare șobolan s-au folosit calibre (model CD-6P; Mitutoyo, Tokyo, Japonia). Stimularea prin presiune a fost aplicată atunci când expresia inflamației a atins nivelul maxim. Răspunsul șobolanului a fost observat prin creșterea nivelului de presiune, iar pragul de presiune a fost comparat cu gradul de inflamație.
3.2. Stimularea electrică
Pentru a verifica dacă stimularea electrică aplicată a indus doar durere fără a afecta șobolanul, țesuturile stimulate au fost examinate din punct de vedere histologic și al inflamației. Figura 3 prezintă imaginile macroscopice ale țesuturilor colorate cu H&E care au fost stimulate electric prin creșterea tensiunii de la 0 la 50 V. Un grup de țesuturi a fost colorat imediat după stimularea electrică (coloana din stânga), iar celălalt a fost colorat la o zi după stimulare (coloana din dreapta).
Grupul de control a prezentat țesut normal al flancului. Nu au fost observate diferențe în țesuturile stresate electric în comparație cu țesutul de control, chiar dacă tensiunea a crescut la 50 V. Nu au fost observate anomalii la 24 de ore după stimularea electrică. Atât efectele inflamatorii, cât și cele apoptotice ale stimulării electrice au fost examinate prin colorare cu dublă imunofluorescență pentru caspaza-3 și COX-2. Figura 4 prezintă rezultatele dublei colorații de imunofluorescență pentru țesuturile normale (nestimulate) și stimulate (la 10 și 50 V). Nu a existat nicio expresie de inflamație sau apoptoză în țesuturi imediat după stimularea electrică sau după o zi, confirmând că stimularea electrică a provocat doar durere și nu a indus leziuni tisulare.
3.3. Dolorimetru de presiune
Piciorul posterior drept al șobolanului a fost tratat cu caragenan pentru a induce inflamația, iar piciorul posterior a fost fotografiat din vedere de sus și lateral, așa cum se arată în figura 5. Un grup nu a fost tratat cu caragenan ca martor, iar celălalt a fost tratat cu soluție salină ca martor negativ [figura 5(a)]. Carrageenan 1% a fost injectat în cantități variabile de 100 μl, 150 μl și 200 μl. Simptomele inflamatorii de edem și roșeață au fost observate la toate labele posterioare tratate cu carrageenan, în timp ce grupurile de control și cele tratate cu soluție salină nu au prezentat niciun simptom. Efectul inflamator al caragenanului a fost evidențiat în mod clar prin colorația H&E. După cum se arată în figura 5(b), grupurile de control și cele tratate cu soluție salină au prezentat o stare sănătoasă a țesuturilor. Cu toate acestea, acumularea de celule inflamatorii infiltrate a fost observată în toate grupurile tratate cu caragenan, așa cum este indicat prin săgeți. Imaginea din dreapta este o labă posterioară dreaptă a unui șobolan utilizat pentru control, soluție salină și caragenan, iar imaginea din stânga este o labă posterioară stângă a șobolanului din figura 5(b).
În timpul progresiei inflamației, atât volumul, cât și dimensiunea (lățime × înălțime) labei posterioare au fost măsurate cu ajutorul pletismometriei și a calibrelor. Măsurătorile au fost efectuate imediat după injectarea cu soluție salină și caragenan și apoi au continuat timp de opt ore. În toate grupurile tratate cu caragenan, atât volumul, cât și dimensiunea labei posterioare au crescut progresiv cu timpul până la 6 ore; cu toate acestea, edemul a scăzut odată cu creșterea ulterioară a timpului [figurile 6(a) și 6(b)]. Grupurile de control și cele tratate cu soluție salină nu au prezentat modificări ale volumului și dimensiunii. După ce am măsurat edemul [figurile 6(a) și 6(b)] în funcție de concentrația de injectare a caragenanului, am confirmat aspectul de acțiune al șobolanului (presiune) în starea maximă a edemului la 6 h după injectarea caragenanului [figura 6(c)]. Această măsurătoare a fost efectuată pentru a colecta o varietate de informații privind starea de inflamație clinică. În grupurile de control și cele cu soluție salină, rezultatele testului de presiune nu au prezentat modificări semnificative. În grupul de edem al labei piciorului indus de caragenan, am reușit să distingem diferențe în valorile presiunii în funcție de inflamația observată. Aceste rezultate indică faptul că am putut determina gradul de durere în funcție de diferite niveluri de inflamație. În acest studiu, carrageenanul a fost utilizat pentru a evalua inflamația acută; evaluarea inflamației cronice va fi evaluată cu ajutorul adjuvantului Complete Freund’s Adjuvant.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
4. Concluzii
Am dezvoltat un sistem de măsurare a durerii pentru evaluarea obiectivă și cantitativă a durerii. Pentru validarea încrucișată, sistemul a fost alcătuit atât din componente de stimulare electrică, cât și de presiune. Înainte de a aplica acest sistem într-un cadru clinic, siguranța și fiabilitatea sistemului au fost confirmate cu ajutorul unui model animal. Stimularea electrică nu a provocat niciun prejudiciu, inclusiv inflamația și apoptoza țesuturilor. În testul de presiune, valorile de presiune măsurate au depins de gradul de inflamație. Sistemul nostru de măsurare a durerii necesită un timp scurt de măsurare și nu a indus inflamație atunci când a fost aplicat pe țesut de șobolan. În prezent, cercetarea și dezvoltarea noastră au fost finalizate și sunt pregătite pentru comercializare. Partea cea mai frecvent utilizată va fi durerea nociceptivă. Acesta este utilizat în departamentul de medicină de reabilitare, iar durerea neurochirurgicală (durere neuropată) va fi aplicată în viitor. Deși rămân multe provocări, acest sistem de măsurare a durerii poate oferi oportunități interesante pentru diagnosticarea și tratamentul diferitelor boli.
Conflicte de interese
Autorii declară că nu au niciun conflict de interese.
Recunoștințe
Această cercetare a fost susținută de „Software Convergence Technology Development Program”, prin Ministerul Științei, TIC și Planificării Viitorului (ITAS017716160110290001000200200) și de Ministerul Comerțului, Industriei și Energiei (MOTIE), Coreea, prin Programul de Educație pentru Convergență Creativă și Industrială (Grant nr. N0000717) și grantul Fundației Naționale de Cercetare din Coreea (NRF) finanțat de Ministerul Educației, Științei și Tehnologiei al guvernului coreean (nr. 2011-0030072).
Materiale suplimentare
Datele suplimentare asociate cu acest articol pot fi găsite în versiunea online. Figura S1: dolorimetrul de presiune de tip manual cu senzor de presiune și componente de afișare. Figura S2: o imagine care arată evoluția în timp a edemului labei piciorului indus de caragenan după un volum de injecție de 100 μl. Figura S3: o imagine care arată evoluția în timp a edemului labei piciorului indus de caragenan după un volum de injecție de 150 μl. Figura S4: o imagine care arată evoluția în timp a edemului labei piciorului indus de caragenan după un volum de injecție de 200 μl. (Materiale suplimentare)
.