Einführung eines Algorithmus zur kontinuierlichen Bestimmung der Reflexschwelle des nozizeptiven Flexionsreflexes

Abstract

Der nozizeptive Flexionsreflex (NFR) ist für die medizinische Forschung von großem Interesse, da es seine Eigenschaften ermöglichen, Rückschlüsse vom Ausmaß elektromyographischer Parameter auf die quantitative Ausprägung von Parametern des subjektiven Schmerzempfindens zu ziehen. So wird die NFR- Reflexschwelle als Surrogat für die subjektive Schmerzschwelle genutzt. Bisher wurde zur Messung der NFR-Reflexschwelle eine Staircase-Methode verwendet, die sich jedoch nicht zur kontinuierlichen Erfassung von Veränderungen der NFR- Reflexschwelle im Zeitverlauf eignet. Solche Messungen wären vor allem bei der Verabreichung von schnell wirksamen Medikamenten, zum Beispiel im Verlauf einer Allgemeinanästhesie, interessant. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, der eine Weiterentwicklung der Staircase-Methode darstellt und die kontinuierliche Messung einer sich verändernden NFR-Reflexschwelle ermöglichen soll. Es wurde davon ausgegangen, dass beide Messmethoden austauschbar anwendbar sind, wenn die Abweichung zwischen beiden Methoden nicht signifikant größer ist als die durch nicht kontrollierbare Einflussfaktoren bewirkte Abweichung der Reflexschwelle bei Messungen mit der gleichen Methode. An 52 gesunden Probanden wurden zu verschiedenen Zeitpunkten Messungen der NFR-Reflexschwelle mit der Staircase-Methode und dem kontinuierlich messenden Algorithmus durchgeführt. Hierbei unterschieden sich die Messzeitpunkte im zeitlichen Abstand und den erfassten Einflussfaktoren. Die Abweichung der NFR-Reflexschwelle zwischen Staircase-Methode und kontinuierlich messendem Algorithmus (95 %-KI 1,48 - 3,05 mA) ist nicht signifikant größer als die Abweichung der Reflexschwelle nach mehrwöchiger Pause und Veränderung der Elektrodenposition (95 %-KI 4,21 - 4,55 mA), die Abweichung der NFR-Reflexschwelle nach 15 min Pause bei gleichbleibender Elektrodenposition (95 %-KI 0,78 - 3,59 mA) oder die Abweichung der NFR- Reflexschwelle während kontinuierlicher Reflexschwellenmessungen (1,72 mA). Die zusätzliche Analyse der Bewertungen von 5 Experten für jeweils 1314 EMG- Signale ergab, dass sich Sensitivität und Spezifität der Identifizierung eines NFR im EMG bei einem Intervall-Peak-z-Score von 7,34 im Gleichgewicht befinden. Aus den Ergebnissen folgt, dass der kontinuierlich messende Algorithmus austauschbar mit der Staircase-Methode verwendbar ist. Der ermittelte Intervall-Peak-z-Score erlaubt die Identifizierung eines NFR im EMG anhand eines standardisierten Parameters und entspricht dabei dem bisherigen Goldstandard, der Bewertung durch einen Experten. Diese Arbeit stellt als erste einen Algorithmus vor, der eine kontinuierliche Messung der NFR- Reflexschwelle erlaubt. Diese NFR-Reflexschwelle kann beispielsweise im Verlauf einer Allgemeinanästhesie als Surrogat für die subjektive Schmerzschwelle verwendet werden.

The nociceptive flexion reflex (NFR) is of great interest for medical research, since its characteristics make it possible to draw conclusions from measured electromyographic parameters onto parameters of subjective pain sensation. It has been shown, that NFR threshold and subjective pain threshold correlate well, thus the NFR threshold can be used as a surrogate criterion for the subjective pain threshold. At present the NFR threshold is measured using a staircase method, which is not suitable for continual measurement. Such measurements would be particularly interesting while administrating fast acting drugs, for example during general anaesthesia. Here a continual NFR threshold tracking algorithm is proposed, which represents an advancement of the staircase method and allows continual measurement of the NFR threshold. Both measuring methods should be interchangeably applicable, if the deviation between both methods is not significantly greater than the deviation within the NFR threshold caused by uncontrollable factors in measurements gained with the same method. Measurements of the NFR threshold were taken in 52 healthy subjects at different points of time using the staircase method and the continual algorithm. Measurements differed in time intervals between measurements and the included factors that influenced NFR threshold. The deviation of the NFR threshold between staircase method and continual algorithm (95 %-CI 1.48 - 3.05 mA) is not significantly greater than the deviation of the NFR threshold caused by a measurement-interval of several weeks and change of electrode positions (95 %-CI 4.21 - 4.55 mA), the deviation of NFR threshold caused by a measurement-interval of 15 min without change of electrode positions (95 %-CI 0.78 - 3.59 mA) or the deviation of the NFR threshold during continual NFR threshold measurements (1.72 mA). Additional analysis of ratings individually given by 5 experts on 1314 EMG signals each indicated that sensitivity and specificity of the identification of a NFR in an EMG reach equilibrium at an interval-peak-z-score of 7.34. The above results indicate that continual NFR threshold tracking algorithm and staircase method can be used interchangeably. The determined interval- peak-z-score allows the identification of a NFR in an EMG based on a standardised scoring criterion while corresponding to the gold standard, the rating of an expert. In this work a continual NFR threshold tracking algorithm is introduced, which allows a continual measurement of the NFR threshold. The measured NFR threshold can be used as surrogate criterion for the subjective pain threshold, e.g. in the process of a general anaesthesia.