Investigation of the effect of low frequency transcutaneous electrical nerve stimulation on central pain modulation by functional magnetic resonance imaging

AMAÇ VE HİPOTEZ: Ağrıæ tarihi insanlık tarihi kadar eski olan ve tedavisi için prehistorik dönemlerden beri mücadele edilen bir duyudur. Ağrı kontrolü için nörostimülasyon tekniklerinin kullanımı da antik çağlarda başlamıştır. Günümüzde ağrı tedavisinde en sık kullanılan nörostimülasyon tekniklerinden biri transkutanöz elektriksel sinir stimülasyonu (TENS)'tir. TENS, birçok kronik ya da akut ağrılı durumda kullanılan analjezik etkili, alçak frekanslı bir akımdır ve kullanılan akımın şiddeti ve frekansına göre farklı tipleri bulunmaktadır. TENS'in analjezik etkisini gösteren çok sayıda çalışma olmasına rağmen bu çalışmaların çoğunun kanıt değeri azdır. Ancak son yıllarda yapılan meta analiz ve derlemelerle bölgesel etkinliğini gösteren kanıtlar bildirilmeye başlanmıştır. Bu çalışmanın amacı, omuz ağrısı modelinde düşük frekanslı TENS uygulamasının santral ağrı algılaması üzerine fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme (fMRG) ile gösterilebilir objektif bir etkisi olup olmadığının araştırılmasıdır. YÖNTEM: Çalışmaya Dokuz Eylül Üniversitesi Fiziksel Tıp ve Rehabilitasyon Anabilim Dalı'na omuz ağrısı yakınması ile başvuran, hikaye ve fizik muayene ile omuz subakromiyal sıkışma sendromu tanısı konulan 20 hasta alındı. Tüm hastaların pasif omuz internal rotasyonu ağrılı idi. Hiçbir hasta daha önce fizik tedavi almamıştı. Hastalar iki gruba randomize edildi. Tüm hastalara ağrılı oldukları pasif omuz internal rotasyon pozisyonunda fMRG yapıldı. Daha sonra birinci gruba 30 dakika 250 µs, 3 Hz düşük frekanslı TENSæ ikinci gruba da 30 dakika elektrotların bağlandığı ancak cihazın açılmadığı sahte TENS uygulandı. Uygulamalardan hemen sonra aynı pozisyonda ikinci fMRG yapıldı. Fonksiyonel manyetik rezonans görüntüleme ile elde edilen verilerin analizi istatistiksel parametrik haritalama (statistical parametric mapping: SPM) kullanılarak radyologlar tarafından yapıldı. Literatürde ağrı algılamasında rolü olduğu bildirilen on santral ilgili alan seçilerek bilateral değerlendirildi. Hastaların görüntülemeler sırasında, ağrılı uyaran verildiğinde hissettikleri ağrı on milimetrelik vizüel analog skala (VAS) ile değerlendirildi. BULGULAR: Düşük frekanslı TENS uygulanan grupta VAS değerlerinde, tedavi sonrasında istatistiksel olarak anlamlı azalma oldu. Düşük frekanslı TENS uygulanan grupta, fMRG'de ilgili alandaki aktivasyon şiddetini gösteren Z skorlarının grup içi analizi yapıldığında kontralateral primer duyusal korteks, bilateral kaudal anterior singulat korteks, ipsilateral suplementer motor alan aktivitesindeki azalma istatistiksel olarak anlamlı bulundu. VAS değerindeki değişim ile kontralateral talamus, prefrontal korteks ve ipsilateral posterior paryetal korteks aktivitesi arasında istatistiksel olarak anlamlı korelasyon bulundu. Sahte TENS uygulanan grupta VAS değerlerinde ve ilgili alanların aktivitelerinde anlamlı değişiklik bulunmadı. SONUÇ: Bu çalışmada, omuz ağrısı olan hastalara tek seans düşük frekanslı TENS uygulaması ile ağrı VAS değerlerinde azalma sağlandı. Düşük frekanslı TENS uygulaması ile diskriminatif ağrı algısında rolü olduğu bilinen kontralateral primer duyusal korteks aktivitesinde azalma olduğu fMRG ile gösterildi. Bu bize TENS tedavisinin serebral düzeyde objektif olarak dökümente edilebilen bir analjezik etkisi olduğunu düşündürttü. Ağrı algılamasında diskriminatif ve affektif rolü olan anterior singulat korteks kaudal kesiminde bilateralæ ağrıya oluşturulan motor yanıtı temsil eden suplementer motor alanda da ipsilateral azalma olması düşük frekanslı TENS uygulamasınınæ hissedilen ağrıda azalma ile birlikte santral ağrı algılamasının diskriminatif, affektif ve motor boyutunu etkilediğini düşündürttü. OBJECTIVE AND HYPOTHESIS: The history of pain is as old as human history and its treatment is a struggle since prehistoric times. The use of neurostimulation techniques for the control of pain started in ancient ages. Nowadays one of the most frequently used neurostimulation techniques is transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS). Transcutaneous electrical nerve stimulation is a low frequency analgesic current that is used in many acute and chronic painful states. There are different subtypes of TENS according to intensity and the frequency of the current. Altough there are many studies reporting analgesic effect of TENS, most of them have poor level of evidence. However recent meta-analyses and reviews have started to report evidence for local efficacy of TENS. The aim of this study is to investigate whether low frequency TENS has objective effect on central pain modulation that can be documented by functional magnetic resonance imaging (fMRI) on shoulder pain model. MATERIAL AND METHOD: Twenty patients who applied Dokuz Eylül University Department of Physical Medicine and Rehabilitation with symptom of shoulder pain and diagnosed as shoulder subacromial impingement syndrome according to history and physical examination were enrolled in the study. None of the patients had physical treatment before. Patients were randomized in two groups. All the patients had fMRI while the affected shoulder was positioned in the painful internal rotation position. Then 250 µs, 3 Hz low frequency TENS was applied to the patients in the first group for 30 minutes. For the second group 30 minutes sham TENS, where the electrodes were positioned and current was closed, was applied. Second fMRI was performed in the same position immediately after the low frequency TENS or sham TENS application. The data of the fMRI images were analysed by radiologists using statistical parametrical mapping (SPM). Ten central regions of interest that were reported to role in pain perception in literature were chosen and analysed bilaterally. Perceived pain intensity during fMRI was evaluated with ten milimeter visual analog scale (VAS). RESULTS: In the low frequency TENS group there was statistically significant decrease in VAS values. The intergroup analysis of Z values which represent the intensity of activation in the region of interest on fMRI images, revealed statistically significant decrease in the activity of contralateral primary sensory cortex, bilateral caudal region of anterior cingulate cortex and ipsilateral supplementary motor area. There was statistically significant correlation between the change of VAS value and change of activity in contralateral thalamus, prefrontal cortex and ipsilateral posterior paryetal cortex. In the sham TENS group there was no significant change in VAS value and activity of regions of interest. CONCLUSION: In this study one session low frequency TENS application caused statistically significant decrease in VAS values for pain in the patients having shoulder pain. Low frequency TENS application caused decrease in the activity of contralateral primary sensory cortex which is known to role in discriminative aspect of pain perception and this decrease was shown with fMRI. This finding led us to consider an objective documanteble analgesic effect of TENS on cerebral level. The bilateral decrease in the activity of caudal region of anterior cingulate cortex which has discriminative and affective role in pain perception, and decrease in the activity of ipsilateral supplementary motor area which represents motor response to pain led us consider low frequency TENS affected discriminative, affective and motor aspects of central pain perception together with decrease in perceived pain