基于生理指標的兒童牙科恐懼與焦慮的評估模型

張 鵬，張宇陽，王 非，李西營

1.國家兒童醫學中心 首都醫科大學附屬北京兒童醫院 口腔科，北京 100045；2.清華大學 社會科學學院心理學系，北京 100084；3.陜西師范大學 現代教學技術教育部重點實驗室，陜西 西安 710119

口腔健康是人類身心健康的重要組成部分。牙科恐懼與焦慮(dental fear/anxiety, DFA)是指患者在口腔治療相關環境中出現的恐懼、焦慮情緒[1],這種恐懼情緒伴隨口腔治療全過程[2],它會使患者回避治療而錯過最佳治療期,導致口腔健康的持續惡化[3-5]。

緩解兒童的DFA,對改善其口腔健康意義重大。準確地識別兒童的DFA是進行適當且有效干預的前提。在相關的研究中,自我報告、父母代替評估、行為觀察方式常被用來評估兒童的DFA[6-7]。但這3種評估方式均具有主觀性。生理評估是一種較為客觀的評估兒童DFA的方法。本研究探索治療過程中兒童患者的恐懼、焦慮情緒所伴隨的神經生理表征,并構建一種基于生理指標的兒童DFA的評估模型。

1 材料與方法

1.1 對象與工具

1.1.1 對象:選取在首都醫科大學附屬北京兒童醫院口腔科就診的兒童患者參與本研究。本研究共收集166例參與者的生理數據,剔除CFSS-DS缺失的參與者、生理數據缺失率>50%的參與者后,余下有效參與者106例,其中男生49例,女生57例,平均年齡(10.7±3.0)歲。入選標準如下:1)14周歲以下;2)無口腔疾病之外的其它全身性疾病或心臟疾患;3)無精神疾病史或遺傳病史;4)兒童以及監護人知情同意。

所有參與者均自愿參與本研究,理解、同意并經由法定監護人簽署知情同意書。本研究通過了首都醫科大學附屬北京兒童醫院倫理委員會的倫理審查(審批號:2019-k-352)。

1.1.2 工具

1.1.2.1 自我報告量表:考慮到學齡前兒童的認知水平,本研究采用中文版兒童畏懼調查表—牙科分量表(Children′s Fear Survey Schedule-Dental Subscale, CFSS-DS)與面部圖像量表(Facial Image Scale, FIS)的結合方式,通過面部表情的變化與分值對應的方式,讓兒童通過表情選擇對各個項目的恐懼程度評分,即1分對應很高興的表情,5分對應很不高興的表情。該量表由15個與牙科醫療相關的問題組成,每個題目從1～5分對恐懼程度評分,總分范圍在15～75分之間[8]。

1.1.2.2 可穿戴生理采集設備:本研究使用腕式生理數據采集設備(北京匯心聯科技有限公司),該腕表為可穿戴設計,形似手表,可盡量減少因測量設備帶給兒童的額外恐懼程度。該腕表配有脈搏波傳感器、加速度傳感器和皮膚電傳感器,可輸出最高20 Hz心率(heart rate, HR)和40 Hz皮膚電反應(galvanic skin reaction, GSR)。本研究采用1 Hz的數據進行分析。

1.2 方法

1.2.1 流程:首先,在兒童候診期間,研究人員與患兒的陪同監護人溝通研究事宜、解釋知情同意權,在征得監護人的同意后,將該患兒納入研究范圍,并請監護人簽署知情同意書。在取得監護人的簽字同意后,給患兒佩戴生理采集設備,全程采集患兒候診期間、治療期間、治療后(至少3 min)的生理數據。同時,由一名研究助理記錄事件與時間。最后,在治療結束后,請患者對CFSS-DS作答,同期采集治療后的生理數據。對于學齡前兒童,由研究人員協助,為兒童講述題目的含義,由兒童指出代表自己的表情,以完成量表作答。

1.2.2 使用可穿戴生理采集設備對參與者就診全程的生理數據進行測量:HR是指健康人安靜狀態下每分鐘心跳的次數,一般為60～120 beats/min,心率變異性(heart rate variability, HRV)是指逐次心跳周期差異的變化情況;GSR是指汗腺活動或交感神經系統的變化導致的皮膚電阻波動[9],GSR可分離為皮膚電導水平(skin conductance level, SCL)和皮膚電導反應(skin conductance response, SCR),SCL 是無任何刺激下的皮膚電導基線,SCR 由特定的情緒刺激事件誘發。

1.2.3 測量量表:本研究采用CFSS-DS與FIS相結合的量表,對兒童患者的恐懼與焦慮程度評分。

1.3 統計學分析

1.3.1 數據預處理:將HR<60 BPM的心率數據標記為無效數據,并做刪除處理。將GSR<0.007 μS[10]的GSR數據標記為無效數據,并做刪除處理;然后通過Ledalab(Matlab工具包),對有效的GSR進行分離,分別得到SCL與SCR。根據實驗過程中記錄的治療時間,以上牙椅和下牙椅的時間為界,分別將上牙椅前3 min、治療過程、下牙椅后3 min 作為治療前、中和后的階段劃分。據此,將HR、HRV、SCR、SCL數據進行治療前、中和后的切分,提取每個參與者每個階段的上述指標均值作為生理特征值進行分析。

1.3.2 數據分析:使用SPSS25.0進行數據分析。首先,通過重復測量方差分析進一步對治療前、中和后的HR、HRV、SCR和SCL的差異進行檢驗。其次,將治療前、中和后的HR、HRV、SCR、SCL的均值、差值與CFSS-DS進行皮爾遜相關分析。最后,建立最小絕對收縮和選擇算法(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator, LASSO)回歸模型,并采用留一法(Leave-One-Out, LOO)進行交叉驗證。

2 結果

2.1 治療前、中、后的生理數據變化

HR、SCR與SCL在治療過程中均有不同程度的上升,治療結束后下降(P<0.05)。而HRV相反,在治療過程中有所下降,治療結束后回升(P<0.05)(表1)。HRV一般用來表示個體當下可以承受壓力的冗余度,HRV的下降也直接體現了患者在治療過程中的緊張感。

表1 在治療過程中生理指標的變化

2.2 生理特征與牙科恐懼評分的相關性

HR總體均值、HR中均值、HR后均值、HR中前差值、HR中后差值與CFSS-DS得分顯著正相關(P<0.05);HRV前均值、HRV前中差值與CFSS-DS得分顯著正相關(P<0.05);SCR所有變量與CFSS-DS得分相關不顯著;SCL總體均值、SCL前均值、SCL中均值與CFSS-DS得分顯著負相關(P<0.05)。

2.3 兒童牙科恐懼評估模型

采用LASSO回歸模型對兒童的DFA進行預測。LASSO是一種正則化的方法。它以回歸系數的絕對值之和作為懲罰函數來壓縮回歸系數。它將冗余預測變量的回歸系數壓縮到0,發揮變量選擇的作用, 可以有效地規避因過擬合導致的模型概念化能力不足的問題,獲得精簡且更有效率的預測變量集,同時也可以減少對重要回歸系數的過度壓縮。

本研究評估模型涉及的生理特征值包括HR總體均值、HR前、中和后均值、HRV總體均值、HRV前、中和后均值、SCR總體均值、SCR前、中和后均值、SCL總體均值、SCL前、中和后均值,共計16個特征值。為提高本模型的穩健性,采用LOO進行交叉驗證。

訓練后LASSO模型預測值與CFSS-DS原始分數之間皮爾遜相關系數r=0.30,P<0.05,提示本模型有較好的預測準確性。

3 討論

口腔健康是整體健康、幸福與生活質量的關鍵指標。特別是對于兒童青少年而言,口腔健康對其頜骨正常發育具有重要影響。

但是,患有DFA的兒童往往會極力逃避或者拖延就診,貽誤最佳治療期,導致病情惡化。在全球范圍內,平均大約11%的兒童與青少年患有DFA[11-12]。準確地評估兒童的DFA并及時干預十分關鍵。已有的自我報告、父母代替評估、行為觀察3種方式均有具有主觀性,生理評估是一種較為客觀地評估兒童DFA的方法。

本研究首先對口腔治療過程中兒童患者的恐懼、焦慮情緒背后的神經生理表征進行探索。研究結果發現,與治療前后相比,治療過程中患者的生理指標有顯著反應,HR、SCL、SCR均有不同程度的上升,HRV則有顯著的下降。這些指標均是患者當下壓力顯著上升的表現。

進一步地,基于生理指標與CFSS-DS評分的相關關系,本研究運用LASSO回歸模型構建了一個兒童DFA的生理評估模型,并用LOO進行交叉驗證。結果顯示,本模型可較好地對兒童的DFA水平進行評估。這一嘗試為客觀地評估兒童的DFA提供了可能性。

本研究的評估模型目前仍然是對恐懼值一個數值的預測,尚不能給出實時、連續的恐懼指標。如果后續研究可以進一步在實時、連續輸出恐懼狀態值方面有所探索,將具有更大的臨床應用價值。