Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

An Image-based Approach to Measuring and Classifying Bodily Patterns of Pain and Referred Signs

Shaballout, Nour

Acute pain is a huge burden for the medical as well as for the social systems. Since pain is a multidimensional and highly individualized sensation, it is difficult to quantify and to validate in the clinical setting. However, since pain originating from visceral organs exhibit characteristic patterns, many textbooks assign pain location a discriminative role in the differential diagnosis. Furthermore, a related but much less known phenomenon in acute visceral diseases are segmental signs. Here, pain signals from visceral organs are referred to other somatic or visceral tissues with overlapping segmental innervation. Such pain signals most frequently manifest themselves in the form of referred hyperalgesia and less known manifestations, like allodynia, increased resistance of the skin, vasomotor changes, and even unilateral mydriasis. However, the appropriate assessment and analysis of pain with its accompanying signs requires a comprehensive tool. The pain drawing (PD) has been known to be an important tool to evaluate, communicate, and objectify pain. In a pain drawing (PD), the patient or doctor shades painful areas on an illustration of the human body. This simple yet powerful tool captures essential aspects of pain and related signs, such as localization, intensity, and distribution. Besides, it enables the extraction of meaningful information, such as the area, widespreadness, and segmental pattern. Recently, PDs have developed into sophisticated digital health applications paving the way for many new and exciting basic translational and clinical applications. The aim of this thesis was to test the diagnostic role of electronic PDs in acute pain situations by using a Tablet-PC-based PD app (“Symptom Mapper”) specifically designed for measuring pain patterns and the accompanying referred signs. Starting with a comprehensive introduction reviewing the definition of pain, its different types, and accompanying referred signs, we discuss methods to objectifying pain, including questionnaires, numeric rating scales (NRS), and pain drawings (PDs) (Chapter 1). In the first of three studies, we reviewed the literature concerning pain drawings in a systematic way to identify the best suitable methods for conception, data acquisition, analysis, and data presentation of electronic pain drawings (Chapter 2). In the second study, we evaluated whether knowledge of the patients’ electronic PD had the potential to improve doctors’ understanding of their patients and to influence their clinical decision making. Here, we sought to identify differences between electronic PDs of patients and their treating pain specialists in an acute pain situation and to find those specific characteristics derived from the PDs that had the largest impact on doctors’ understanding. We found that, in a clinical setting, electronic PDs can improve doctors' understanding of patients in acute pain situations. Additionally, the ability of electronic PDs to visualize differences between doctors' and patients' conception of pain was found to have the potential to improve doctor-patient communication (Chapter 3). In the third study, we measured the segmental distribution of pain and referred signs in different visceral diseases using electronic PDs. Besides, we compared the segmental distribution of pain and segmental signs to decide, which of the two was better suited for differential diagnosis in visceral diseases (Chapter 4). By analyzing the resulting electronic images, we found that patterns of referred signs are more useful than those of pain in distinguishing between affected organs. These results underline the usefulness of including segmental signs in the bodily examination of patients with acute medical problems. Segmental information and lateralization may help to narrow down the number of possible causes before more sophisticated test results can be obtained. Finally, in the light of the obtained results, we discuss the benefits of using PDs in general, the importance of choosing appropriate tools, and the diagnostic usefulness of electronic PDs by patients or doctors in acute medical situations (Chapter 5). In summary, our results show the great potential of electronic PDs and underline their usefulness in the assessment of acute medical problems.

Akute Schmerzen sind eine enorme Herausforderung sowohl für das medizinische als auch für das soziale System. Da es sich beim Schmerz um eine mehrdimensionale und hoch individualisierte Empfindung handelt, ist es schwierig, ihn zu quantifizieren und im klinischen Umfeld zu validieren. Da die von viszeralen Organen ausgehenden Schmerzen jedoch charakteristische Muster aufweisen, wird in vielen Lehrbüchern dem Schmerzort eine wichtige Rolle in der Differentialdiagnose zugewiesen. Darüber hinaus sind segmentale Zeichen ein häufiges, aber wenig bekanntes Phänomen bei akuten viszeralen Erkrankungen. Hier werden Schmerz-Signale viszeralen Ursprungs auf andere somatische oder viszerale Gewebe mit überlappender segmentaler Innervation übertragen. Solche Schmerzsignale manifestieren sich am häufigsten in Form von Hyperalgesie und weniger bekannten Manifestationen, wie Allodynie, Spannungsvermehrung der Haut, vasomotorischen Veränderungen und sogar einseitiger Mydriasis. Die angemessene Beurteilung und Analyse von Schmerzen und ihren Begleiterscheinungen erfordert jedoch ein umfassendes Instrumentarium. Schmerzzeichnungen sind seit langem ein wichtiges Instrument zur Beurteilung und Objektivierung von Schmerzen. Bei einer Schmerzzeichnung zeichnet der Patient oder der Arzt schmerzhafte Bereiche auf einer Abbildung des menschlichen Körpers ein. Dieses einfache, aber leistungsstarke Werkzeug erfasst wesentliche Aspekte des Schmerzes und der damit verbundenen Zeichen, wie z.B. Lokalisierung, Intensität und Verteilung. Darüber hinaus ermöglicht es die Extraktion aussagekräftiger Informationen, wie z.B. das Gebiet, die Ausbreitung und das Segmentmuster. In den letzen Jahren haben sich die Schmerzzeichnungen zu anspruchsvollen digitalen Gesundheits-Apps entwickelt, die den Weg für viele neue und interessante translatorische und klinische Anwendungen ebnen. Das Ziel dieser Arbeit war es, die diagnostische Rolle der elektronischen PDs in akuten Schmerzsituationen zu testen, indem eine Tablet-PC-basierte PD-App ("Symptom Mapper") verwendet wird, die speziell für die Messung von Schmerzmustern und segmentalen Zeichen entwickelt wurde.Ausgehend von einer umfassenden Einführung, die die Definition von Schmerz, seine verschiedenen Typen und die begleitenden Überweisungszeichen erläutert, werden Methoden zur Objektivierung von Schmerzen, einschließlich Fragebögen, numerische Ratingskalen (NRS) und Schmerzzeichnungen (PDs), diskutiert (Kapitel 1). In der ersten von drei Studien wurde die Literatur zu Schmerzzeichnungen systematisch durchsucht, um die am besten geeigneten Methoden zur Konzeption, Datenerfassung, Analyse und Darstellung von elektronischen Schmerzzeichnungen zu identifizieren (Kapitel 2). In der zweiten Studie haben wir untersucht, ob das Wissen über die elektronische PD der Patienten das Potential hat, das Verständnis der Ärzte für ihre Patienten zu verbessern und ihre klinische Entscheidungsfindung zu beeinflussen. Hier versuchten wir, Unterschiede zwischen den elektronischen PDs von Patienten und ihren behandelnden Schmerzspezialisten in einer akuten Schmerzsituation zu identifizieren und jene aus den Zeichnungen abgeleiteten, spezifischen Merkmale zu finden, die den größten Einfluss auf das Verständnis der Ärzte hatten. Wir fanden heraus, dass im klinischen Umfeld elektronische Schmerzzeichnungen das Verständnis der Ärzte für Patienten in akuten Schmerzsituationen verbessern können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass ihre, Unterschiede zwischen der Schmerzvorstellung von Ärzten und Patienten zu visualisieren, das Potenzial hat, die Kommunikation zwischen Arzt und Patient zu verbessern (Kapitel 3). In der dritten Studie wurde dann die segmentale Verteilung von Schmerzen und segmentalen Zeichen bei verschiedenen viszeralen Erkrankungen mit Hilfe elektronischer Schmerzzeichnungen erfasst. Außerdem verglichen wir die körperlichen Muster von Schmerz und segmentalen Zeichen, um zu entscheiden, was von beidem besser für die Differentialdiagnose bei viszeralen Erkrankungen geeignet ist (Kapitel 4). Wie die Analyse der erhobenen Daten zeigte, waren die Muster der segmentalen Zeichen hilfreicher als die der Schmerzen in der Differentialdiagnose der betroffenen Organe. Diese Ergebnisse unterstreichen die Nützlichkeit der Einbeziehung segmentaler Zeichen in die körperliche Untersuchung von Patienten mit akuten medizinischen Problemen. Segmentale Verteilung und Lateralisierung können helfen, die Anzahl der möglichen Ursachen einzugrenzen, bevor weitergehende Untersuchungen durchgeführt werden können. Abschließend diskutieren wir im Lichte der erzielten Ergebnisse die Bedeutung von Schmerzzeichnungen im Allgemeinen, ihren diagnostischen Nutzen und die Wichtigkeit der Auswahl geeigneter Instrumente (Kapitel 5). Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse das große Potential elektronischer Schmerzzeichnungen und unterstreichen ihre Nützlichkeit in der Beurteilung akuter medizinischer Probleme

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Shaballout, N., 2020. An Image-based Approach to Measuring and Classifying Bodily Patterns of Pain and Referred Signs. Hannover.
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