Introduction: Nociceptive reflexes like the nociceptive flexion reflex (NFR) or the pupillary dilation reflex (PDR) are used to measure pain and nociception in wake patients and patients under sedation. However the accuracy of these methods regarding their different fields of application is unknown. We therefore conducted three studies: in study A we measured the test-retest reliability of the endogenous pain modulation of the NFR by a conditioning stimulus, in order to examine, if the NFR is able to measure the individual ability to inhibit pain. In study B we investigated, how accurate the NFR can be scored automatically in electromyography (EMG) recordings and optimized this automatic NFR scoring procedure. In study C we investigated, how accurate immediate postoperative pain and delayed tracheal extubation can be predicted by the nociceptive reflexes PDR and NFR measured during general anaesthesia. Method: In study A we measured the conditioned pain modulation (CPM) in 40 healthy participants at two sessions through the changes in size of the NFR and in subjective pain ratings caused by a painful hot water stimulus compared to the changes caused by a painless control stimulus. In study B we compared different EMG scoring criteria and their thresholds for automatic NFR detection with expert ratings in two independent data sets derived from 60 healthy participants each and calculated multivariable classification models to improve the automatic NFR detection. In study C we measured the PDR and NFR of 110 patients before and during general anaesthesia for primary hip arthroplasty. Results: Study A showed a good test-retest reliability for the CPM of the NFR and the CPM of pain ratings as measures of endogenous pain modulation. Study B showed that in automatic NFR detection by single scoring criteria the Interval-Peak-Z-Score matches the expert ratings with highest accuracy, while multivariable EMG scoring criteria further increase this accuracy significantly. Study C showed that the PDR and NFR thresholds measured during general anaesthesia correlate with delayed tracheal extubation and the PDR threshold correlate with the immediate postoperative pain. Conclusions: Our results from study A show that the NFR is a reliable measure of endogenous pain modulation. Our results from study B show that the NFR can be automatically detected with high accuracy, which can be further improved by multivariable EMG classification models. Our results from study C show that nociceptive reflexes measured during general anaesthesia reflect the balance between nociception and analgesia.
Einleitung: Nozizeptive Reflexe wie der Nozizeptive Flexorenreflex (NFR) und der Pupillendilatationsreflex (PDR) werden zur Quantifizierung von Schmerz und Nozizeption bei wachen und sedierten Patienten verwendet. Jedoch gibt es bisher über die Genauigkeit dieser Methoden in den unterschiedlichen Einsatzgebieten nur wenige Daten. Wir führten daher drei Studien durch: In Studie A untersuchten wir die Test-Retest-Reliabilität der endogenen Schmerzmodulation des NFR durch einen konditionierenden Stimulus, um zu prüfen, ob sich der NFR als Maß der körpereigenen Schmerzhemmung eignet. In Studie B untersuchten wir, wie genau sich der NFR automatisiert im Elektromyogramm (EMG) erkennen lässt und optimierten diese automatisierte Reflexdetektion. In Studie C untersuchten wir, wie genau sich der akute postoperative Schmerz und die Aufwachdauer nach einer Operation anhand der noch während der Allgemeinanästhesie gemessenen nozizeptiven Reflexe NFR und PDR vorhersagen lassen. Methodik: In Studie A bestimmten wir das Ausmaß der Conditioned Pain Modulation (CPM) von 40 gesunden Probanden zu zwei Zeitpunkten anhand der Änderung von NFR und subjektiver Schmerzbewertung durch einen schmerzhaften Heißwasserstimulus im Vergleich zur Änderung durch einen schmerzlosen Kontrollstimulus. In Studie B verglichen wir in zwei Datensätzen von je 60 gesunden Probanden verschiedene Kriterien und deren Schwellenwerte zur automatisierten NFR-Detektion im EMG mit dem Goldstandard, der Bewertung durch Experten, und entwickelten zur Verbesserung der Reflexdetektion multivariable Modelle. In Studie C untersuchten wir den PDR und den NFR vor und während einer Allgemeinanästhesie an 110 Patienten zur primären Hüftarthroplastik sowie die Aufwachdauer und das Schmerzausmaß nach der Allgemeinanästhesie. Ergebnisse: Studie A zeigte eine gute Test-Retest-Reliabilität der CPM des NFR sowie der CPM der subjektiven Schmerzbewertung. Studie B zeigte für die automatisierte NFR-Detektion durch den EMG-Parameter Interval-Peak-Z-Score eine hohe Übereinstimmung mit der Bewertung durch Experten, die durch Einbezug weiterer EMG-Parameter mittels multivariabler Modelle signifikant verbessert werden konnte. Studie C zeigte, dass die unter Allgemeinanästhesie bestimmten Schwellenwerte des PDR und des NFR mit der Aufwachdauer korrelieren und dass der Schwellenwert des PDR auch mit dem akuten postoperativen Schmerz korreliert. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse aus Studie A zeigen, dass der NFR geeignet ist, die endogene Schmerzmodulation reliabel abzubilden. Die Ergebnisse aus Studie B zeigen, dass der NFR mit einer hohen Genauigkeit automatisiert im EMG erkannt werden kann und multivariable Modelle diese Reflexdetektion noch weiter verbessern können. Die Ergebnisse aus Studie C zeigen, dass die nozizeptiven Reflexe auch unter Allgemeinanästhesie in der Lage sind, die Balance zwischen Nozizeption und Analgesie widerzuspiegeln.
