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AGE-WELL Project 6.3: PAIN-ASSESS – Development, Implementation and Evaluation of an Automated Pain Detection System for Older Adults with Dementia

(Français)

The irony is inescapable:  a research project on technology that demands a gruelling form of human labour.

AGE WELL-affiliated psychology graduate student Erin Browne (left) and two research assistants are looking for pain behaviours on a video that shows a patient and a health professional.

AGE WELL-affiliated psychology graduate student Erin Browne (left) and two research assistants are looking for pain behaviours on a video that shows a patient and a health professional.

For as much as 50 hours a week over a period of several months, a team at the University of Regina has been staring at video screens, manually coding different non-verbal pain expressions—coding a mind-boggling 50-thousand frames of video.

Every single analysis is then cross-checked by a colleague to ensure accuracy.  The whole process was made all the more complicated when the software they were originally using for coding proved to be inadequate to the task and they had to purchase a more expensive version.

“It’s a massive undertaking,” says the co-leader of the project, Thomas Hadjistavropoulos, the Research Chair in Aging and Health at the university.

But it was the only effective way of gathering the raw data for an AGE-WELL-funded project that could revolutionize the assessment of pain in long term care facilities.  The goal of PAIN-ASSESS is to adapt facial recognition technologies to alert staff when a person with dementia is experiencing pain.

It is a pressing need.  Hadjistavropoulos points to studies that indicate that people suffering from severe Alzheimer’s are far less likely to receive an analgesic medication than older adults in general.  They often cannot communicate what they are feeling and overworked staff do not have the time to conduct regular pain assessments on every single resident.

Dr. Thomas Hadjistavropoulos heads the University of Regina team.

Dr. Thomas Hadjistavropoulos heads the University of Regina team.

“Pain is under-assessed and under-treated in long term care facilities,” he says.

The results can be a cascade of damaging outcomes.  People with dementia suffering from unrecognized pain can turn aggressive.  Staff then sometimes prescribe psychotropic medications, when in fact what is really needed is pain relief.  Psychotropic medications can in turn increase the risk of death.

The University of Regina team members staring at video screens for all those hours are looking at the reactions of people with dementia and cataloguing expressions that indicate they are in pain.  It could be a lowered eyebrow or a wince—things that a staff person in a long term care facility might note, if only they had the time to be watching each resident every hour of the day.

The raw data provided by Hadjistavropoulos’s group is being shared with their collaborating team at the Toronto Rehabilitation Institute (TRI), which is headed by Dr. Babak Taati, a Scientist with TRI’s AI & Robotics Team.

Taati says advertisers already use facial recognition technology to recognize emotions—a useful tool when surveying test audiences in market research, but it is unclear whether the algorithms would work on older faces that might have wrinkles and that perhaps might express feelings differently due to the effects of dementia.

“This is expanding into a different area,” says Taati.

Dr. Babak Taati, who heads the TRI-UHN team, and Dr. Ahmed Ashraf, AGE WELL-affiliated post-doctoral fellow, working together on PAIN-ASSESS.

Dr. Babak Taati, who heads the TRI-UHN team, and Dr. Ahmed Ashraf, AGE WELL-affiliated post-doctoral fellow, working together on PAIN-ASSESS.

His team will use the data collected in Regina to develop new algorithms that will not only note the signs of pain, but attempt to capture the indicators even when using a lower-quality (and lower cost) camera.  The goal would be to have multiple cameras throughout a care facility, not only in each room, but also in common areas to effectively detect any resident who is suffering.

“The interdisciplinary nature of the project and the focus on affordability bring up really interesting technical challenges,” he says.

Given the sensitivities of privacy, the cameras will never be storing video.  Their purpose is solely to advise staff when a resident should be assessed for pain.

The project has a health psychologist leading a team in Regina, in collaboration with a computer engineer leading a team in Toronto. Dr. Ken Prkachin, a University of Northern British Columbia expert on non-verbal pain expressions, is also a key co-investigator.   The PAIN-ASSESS team operates within a cluster of researchers at the University of Alberta and University of Toronto who work on related projects.   In other words, PAIN-ASSESS is a typical AGE-WELL project, where experts in diverse fields are brought together to find synergies from their complementary skills.

If all goes well, they will have a prototype ready within 3 years and be ready to start testing it in two long term care facilities by year 4.  Success would produce a virtuous circle:  more people with dementia would get the pain medication they need when they need it, leading to a decrease in incidents of aggression and stress levels of hard working staff could be lowered.

Thomas Hadjistavropoulos has high hopes for the potential of PAIN-ASSESS:

“It could change everything.”

Projet 6.3 d’AGE-WELL: PAIN-ASSESS – Conception, mise en œuvre et évaluation d’un système de détection automatique de la douleur pour les aînés atteints de démence

L’ironie est évidente : un projet de recherche en technologie qui oblige les humains à abattre un travail éreintant.

Erin Browne (à gauche), étudiante diplômée en psychologie affiliée à AGE-WELL, et deux adjoints de recherche étudient les comportements liés à la douleur dans une vidéo montrant un patient et un professionnel de la santé.

Erin Browne (à gauche), étudiante diplômée en psychologie affiliée à AGE-WELL, et deux adjoints de recherche étudient les comportements liés à la douleur dans une vidéo montrant un patient et un professionnel de la santé.

Une équipe de l’Université de Regina a passé jusqu’à 50 heures par semaine, sur une période de plusieurs mois, les yeux rivés sur un écran vidéo à coder manuellement diverses expressions non verbales dénotant la douleur. Elle a ainsi codé 50 000 images vidéo, tâche défiant l’imagination.

Chaque analyse a ensuite été vérifiée par un collègue pour en assurer l’exactitude. Ce processus a été rendu encore plus difficile quand il est devenu évident que le logiciel utilisé initialement pour le codage ne suffisait pas à la tâche et qu’il a fallu acheter une version plus chère.

“C’est une tâche énorme”, a affirmé le codirecteur du projet, Thomas Hadjistavropoulos, titulaire de la chaire de recherche de l’université sur le vieillissement et la santé.

Mais c’était la seule façon de recueillir les données brutes pour un projet financé par AGE-WELL qui pourrait révolutionner la façon d’évaluer la douleur dans les établissements de soins de longue durée. L’objectif de PAIN-ASSESS est d’adapter les technologies de reconnaissance faciale afin d’alerter le personnel quand une personne atteinte de démence éprouve de la douleur.

Il s’agit d’un besoin pressant. Le Dr Hadjistavropoulos cite des études concluant que les personnes atteintes de la maladie d’Alzheimer sévère se font beaucoup moins prescrire des médicaments analgésiques que les autres adultes. Ils n’arrivent souvent pas à communiquer ce qu’ils ressentent, et le personnel surchargé n’a pas le temps d’évaluer régulièrement la douleur de chacun des résidents.

Le Dr Thomas Hadjistavropoulos dirige l’équipe de l’Université de Regina.

Le Dr Thomas Hadjistavropoulos dirige l’équipe de l’Université de Regina.

“La douleur est sous-évaluée et sous-traitée dans les établissements de soins de longue duré”, affirme-t-il.

Les conséquences peuvent être très néfastes. Les personnes atteintes de démence peuvent devenir agressives quand leur douleur n’est pas détectée. Le personnel prescrit parfois des médicaments psychotropes alors que le résident n’a besoin que d’un analgésique. Ces médicaments psychotropes peuvent à leur tour augmenter le risque de décès.

Les membres de l’équipe de l’Université de Regina ont regardé des écrans pendant toutes ces heures pour étudier la réaction des personnes atteintes de démence et cataloguer les expressions dénotant la douleur. Il pouvait s’agir d’un sourcil baissé ou d’une grimace, expressions qu’un employé d’un établissement de soins de longue durée pourrait remarquer s’il avait le temps de surveiller chacun des résidents, à toute heure du jour.

Les données brutes fournies par le groupe du Dr Hadjistavropoulos sont mises en commun avec l’équipe partenaire du Toronto Rehabilitation Institute (TRI), dirigée par le Dr Babak Taati, un scientifique de l’équipe d’intelligence artificielle et de robotique du TRI.

M. Taati indique que les annonceurs utilisent déjà la technologie de reconnaissance faciale pour reconnaître les émotions. Il s’agit d’un outil précieux pour analyser les réactions des publics-tests pendant les études de marché, mais ces algorithmes ne fonctionnent pas nécessairement sur des visages plus âgés, ayant des rides, et qui expriment parfois les émotions autrement en raison des effets de la démence.

“C’est un développement dans un nouveau domaine”, affirme le Dr Taati.

Le Dr Babak Taati, qui dirige l’équipe TRI-UHN, et le Dr Ahmed Ashraf, boursier postdoctoral affilié à AGE-WELL, travaillent en collaboration sur le projet PAIN-ASSESS.

Le Dr Babak Taati, qui dirige l’équipe TRI-UHN, et le Dr Ahmed Ashraf, boursier postdoctoral affilié à AGE-WELL, travaillent en collaboration sur le projet PAIN-ASSESS.

Son équipe se servira des données recueillies à Regina pour créer de nouveaux algorithmes qui, en plus de détecter les signes de douleur, tenteront de saisir ces indicateurs même si une caméra de mauvaise qualité (et moins chère) est utilisée. L’objectif serait d’installer plusieurs caméras partout dans un établissement de soins, dans les chambres, mais aussi dans les aires communes, afin de détecter efficacement la douleur sur le visage des résidents.

“La nature interdisciplinaire du projet et l’accent mis sur les coûts abordables de sa mise en œuvre mettent en lumière des difficultés techniques très intéressantes”, déclare-t-il.

Compte tenu de la sensibilité au respect de la vie privée, les caméras n’enregistreront jamais les images. Leur objectif est uniquement de prévenir le personnel quand il faut évaluer la douleur d’un résident.

Un psychologue de la santé qui dirige une équipe à Regina participe au projet, en collaboration avec un ingénieur informatique menant une équipe à Toronto. Le Dr Ken Prkachin, un expert de l’Université du Nord de la Colombie-Britannique dans le domaine de l’expression non verbale de la douleur, est aussi un co-chercheur important du projet. L’équipe de PAIN-ASSESS œuvre au sein d’un groupe de chercheurs à l’Université de l’Alberta et à l’Université de Toronto, qui travaille sur des projets connexes. En d’autres mots, PAIN-ASSESS est un projet typique d’AGE-WELL, dans le cadre duquel des experts de divers domaines sont réunis pour trouver des synergies grâce à leurs compétences complémentaires.

Si tout se déroule bien, un prototype devrait être prêt d’ici trois ans, et les essais devraient commencer dans deux établissements de soins de longue durée d’ici la quatrième année. Le succès du projet produirait un cercle vertueux : de plus nombreuses personnes souffrant de démence recevraient les médicaments analgésiques dont ils ont besoin, au moment où ils en ont besoin, ce qui réduirait le nombre de cas d’agression, et donc le niveau de stress du personnel dévoué.

Thomas Hadjistavropoulos pense que PAIN-ASSESS a un énorme potentiel:

“Ce projet pourrait tout changer”.