Stress Indices in surgical simulation

Abstract

The absence of a single reliable detection method makes estimating surgeons’ mental stress during an operation difficult to quantify and interpret. Although several non-invasive stress measuring methods have been proposed, most studies have used only one or two stress estimation parameters and produced conflicting results. Τhe first objective of this study was to assess the feasibility of a new, easy to wear watch-sized device to noninvasively measure cardiac stress parameters such as heart rate (HR) and heart rate variability (IBI) which are usually measured by means of a Holter monitor, as well as Electrodermal activity (EDA). The second objective was to concomitantly measure the responses of seven noninvasive stress indices and compare them to the video score (VS) achieved by novices in a stressful simulation environment. Namely, we used one subjective method (STAI) plus the three abovementioned ones derived from the wrist-worn device (HR, IBI, EDA) as well as the salivary levels of cortisol, alpha-amylase and IgA. Twenty-one male novice trainees were enrolled. After an orientation phase, they wore a wrist device that measures heart rate (HR), interbeat interval (IBI) duration, and electrodermal activity (EDA) as well as a Holter ECG rhythm monitoring system (HM). A saliva specimen was collected for cortisol (sC), alpha-amylase (sAA), and secretory immunoglobulin A (sIgA) measurements (baseline phase, BL). Then the simulation exercise phase (E) started, with the subjects trained on a basic suturing module for 15 minutes. Immediately after, another saliva sample was collected. The whole experiment was videotaped, and VS was calculated. The percentage (E-BL)diff of each of the six parameters was calculated and compared with VS using Pearson’s correlation coefficient as well as Akaike Information Criterion (AICc).Data analysis showed: a) When compared to STAI, electrodermal activity exhibited the best correlation, sensitivity and specificity, b) the device derived cardiac parameters highly correlated with the reciprocal Holter values during all experiment phases and c) EDAdiff showed the best correlation with VS, followed by IBIdiff and HRdiff. Among the saliva biomarkers, sAAdiff showed the best correlation in comparison to sIgAdiff and sCdiff.It is concluded that this wearable device is an easy to use and well accepted by the participants noninvasive tool, which can provide accurate stress estimation in our simulation setting. Additionally, it can replicate Holter derived stress related heart parameters, thus eliminating the need to wear a rather cumbersome device. In our simulation setting, sympathetic ANS stress parameters (EDA, IBI, HR, sAA) could best describe the novice trainees’ performance, but sC and IgA could not.

Η απουσία μιας καθολικά αποδεκτής και αξιόπιστης μεθόδου μέτρησης του stress καθιστά δύσκολο να εκτιμηθεί και να ερμηνευθεί η ψυχική καταπόνηση των χειρουργών κατά τη διάρκεια μιας επέμβασης. Παρόλο που έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι αναίμακτης μέτρησης, οι περισσότερες μελέτες έχουν χρησιμοποιήσει μόνο μία ή δύο παραμέτρους εκτίμησης του stress και έχουν παράξει αντικρουόμενα αποτελέσματα. Ο πρώτος στόχος αυτής της μελέτης ήταν να εκτιμηθεί η σκοπιμότητα μιας νέας, εύκολης στη χρήση συσκευής μεγέθους ωρολογίου, για τη μέτρηση των παραμέτρων του καρδιακού stress, όπως η καρδιακή συχνότητα (HR) και η μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού (IBI), οι οποίες συνήθως μετρούνται με τη βοήθεια ενός Holter ρυθμού, έχοντας επίσης και τη δυνατότητα μέτρησης της ηλεκτροδερμικής ενεργότητας (EDA).Ο δεύτερος στόχος ήταν να μετρηθεί ταυτόχρονα η ανταπόκριση επτά αναίμακτων δεικτών stress και να συγκριθούν με το βιντεοσκοπημένο αποτέλεσμα (VS) που επιτυγχάνουν οι αρχάριοι σε ένα στρεσογόνο περιβάλλον προσομοίωσης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήσαμε μία υποκειμενική μέθοδο (STAI) συν τις τρεις προαναφερθείσες που προέρχονται από τη συσκευή που φοριέται στο χέρι (HR, IBI, EDA) καθώς και τα επίπεδα κορτιζόλης, άλφα-αμυλάσης και IgA στον σιέλο.Στη μελέτη περιελήφθησαν είκοσι ένας άρρενες αρχάριοι. Μετά από μια φάση προσανατολισμού, φόρεσαν μια συσκευή καρπού που μετρά την καρδιακή συχνότητα (HR), τη μεταβλητότητα του καρδιακού ρυθμού (IBI) και την ηλεκτροδερμική ενεργότητα (EDA), καθώς και ένα σύστημα παρακολούθησης καρδιακού ρυθμού Holter (HM). Ένα δείγμα σιέλου συλλέχθηκε για μετρήσεις κορτιζόλης (sC), άλφα-αμυλάσης (sAA) και εκκριτικής ανοσοσφαιρίνης Α (sIgA) (βασική φάση, BL). Στη συνέχεια άρχισε η φάση της άσκησης προσομοίωσης (Ε), με τους αρχαρίους να εκπαιδεύονται σε μια βασική ενότητα συρραφής λαπαροσκοπικά για 15 λεπτά. Αμέσως μετά, συλλέχθηκε άλλο δείγμα σιέλου. Το όλο πείραμα βιντεοσκοπήθηκε και υπολογίστηκε το VS. Υπολογίστηκε η εκατοστιαία αναλογία της διαφοράς (E-BL)diff για καθεμία από τις έξι παραμέτρους και συγκρίθηκε με το VS χρησιμοποιώντας τον συντελεστή συσχέτισης Pearson καθώς και το Κριτήριο Πληροφοριών Akaike (AICc).Η ανάλυση των δεδομένων έδειξε ότι: α) Σε σύγκριση με το STAI, η ηλεκτροδερμική ενεργότητα επέδειξε την καλύτερη συσχέτιση, ευαισθησία και ειδικότητα, β) οι παραγόμενες από τη φορητή συσκευή στον καρπό καρδιακές παράμετροι συσχετίστηκαν σε μεγάλο βαθμό με τις αντίστοιχες τιμές του Holter σε όλες τις φάσεις του πειράματος και γ) η EDAdiff έδειξε την καλύτερη συσχέτιση με το VS, ακολουθούμενη από την IBIdiff και την HRdiff. Μεταξύ των βιοδεικτών στον σίελο, η sAAdiff έδειξε την καλύτερη συσχέτιση σε σύγκριση με τις sIgAdiff και sCdiff.Συμπεραίνεται ότι αυτή η φορητή συσκευή καρπού είναι εύκολη στη χρήση και είναι απόλυτα αποδεκτή από τους συμμετέχοντες, η οποία μπορεί να παρέχει ακριβή εκτίμηση του stress στο περιβάλλον προσομοίωσης που δημιουργήσαμε. Επιπλέον, μπορεί να αναπαράγει αξιόπιστα τις καρδιακές παραμέτρους που σχετίζονται με το stress από το Holter, εξαλείφοντας έτσι την ανάγκη να φορεθεί μια αρκετά δυσκίνητη συσκευή. Στο περιβάλλον προσομοίωσης μας, οι συμπαθητικές παράμετροι του stress που σχετίζονται με το αυτόνομο συμπαθητικό σύστημα (EDA, IBI, HR, sAA) περιγράφουν καλύτερα την απόδοση των αρχαρίων, ενώ οι sC και IgA υστερούν.