振动检测阈值和触觉敏锐的空间在人类受试者的测量

摘要

这里，我们目前使用的协议在人类心理物理学方法来确定振动检测阈值和触觉敏锐度。

摘要

允许精确确定振动和光栅方向的心理物理阈值的测试提供了有关机械感觉功能的宝贵信息，这些信息与临床诊断和基础研究相关。在这里，我们描述了两种心理物理测试，旨在确定振动检测阈值（自动化系统）和触觉空间敏锐度（手持设备）。这两个程序都实现了一个双区间强制选择和一个转换规则上下实验范式。这些测试已用于获取来自不同人类队列的个体（例如双胞胎或感音神经性耳聋患者）的机械感觉概况。

引言

皮肤中的特化机械感觉受体介导振动和光栅方向的感知。每种机械感觉受体类型都经过调整以检测触觉刺激的不同特征^1,2。这一特性为通过使用提供简单正弦振荡（振动）或精细光栅的测试来区分评估机械感觉功能提供了心理物理学基础。众所周知，高频振动的振动感知的心理物理阈值低于低频振动^3,4。与 Meissner 和 Pacinian 小体相关的两种类型的快速适应机械感受器主要检测低 （10-40 Hz） 和高频 （100-200 Hz） 振动刺激⁵。人们认为，振动感知的心理物理阈值在很大程度上取决于这两组机械感受器在其最佳频率下的激活^6,7。触觉空间敏锐度通过光栅方向任务进行测试，以确定其方向可以被受试者区分的最细光栅 ^7-9。Merkel 细胞-神经突复合体传入神经对于检测光栅取向至关重要^8,10。有趣的是，我们对机械感受器如何检测极小触觉刺激的分子基础的理解最近取得了相当大的进展¹¹。机械敏感离子通道（如 Piezo2）和调节剂（如 STOML3）直接与触摸受体中精细触觉刺激的检测有关^（12-15）。已经有人类患者被鉴定出在 Piezo2 基因中发生了改变功能的突变，测试这些患者是否具有触摸缺陷将很重要¹⁶。

振动触觉阈值的确定取决于向皮肤传递振动刺激。振动检测阈值随振动频率而变化。从 1930 年代到 1990 年代，von Bekesey、Verillo 和 Bolanowski 等人描述了振动频率到检测阈值曲线^5,17。早期的设备基于摇床和功率放大器，一些设备已经商业化，并且在刺激器的选择（测试频率）、探头与皮肤接触的直径、使用环绕声将刺激限制在皮肤的一个区域方面存在很多变化， 以及确定阈值的测试协议（有关设备和测试功能的更详细信息，请参阅以下参考资料）^18-20。大多数设备通常测试一个站点;然而，有一些新设备使用配备 2 个探头的垂直位移刺激器来提供分离范围可以变化的振动刺激²¹。此外，根据连续刺激的振动频率或强度鉴别来测量检测阈值;或伴有或伴有或伴有掩蔽刺激的间歇性振动刺激。因此，我们建议读者了解该领域的大量发展。

在这里，我们描述了设备的组件，并提供了有关如何进行心理物理测试以估计人类受试者振动检测阈值的分步指南。然后，我们展示了如何使用触觉敏锐方手动评估触觉敏锐度。我们使用两个区间的强制选择范式：刺激总是在两个区间之一中出现，受试者必须指出哪个区间有振动刺激。我们采用 transformed-rule up 和 down 作为自适应方法，通过根据测试期间的性能改变刺激强度来执行阈值搜索。研究人员可以将这两种心理物理学方案用作评估触摸敏感性改变的筛选工具。

方案

测试方案经至Charité-Universitätsmedizin伦理委员会。

1.振动检测阈值（VDT）

1. 设备和测试协议组装 - 预测试
   1. 根据图1A装配该装置的组件。放置一个表面光滑的板英寸（40厘米×80厘米）上的表。将主板上的黄铜棒。
   2. 连接压电致动器（振动激励器）到控制器单元。
   3. 连接响应箱和监视器装置的数据采集系统（见补充代码文件）。
   4. 数据采集​​系统连接到计算机（或膝上型计算机），以及压电致动器控制器单元。
   5. 螺丝定做刺激探针到压电致动器的运动部分（用于探针的细节见材料 ）。
   6. 安装压电致动器与平衡黄铜条上的探针。
2. 测试协议
   1. 脚本测试协议实现两个间隔强迫选择和转换规则的上下方法。见补充代码文件的脚本的轮廓。
   2. 构建振动刺激的波形为正弦波，并指定刺激时间，上升和下降的特点。
      1. 开放式软件（ 如 LabChart）。选择设置>刺激。
      2. 选择一个自定义波形和配置选项的刺激。创建2个属于每个间隔（STIM1和STIM2）刺激波。
         注意:波形STIM1是由3部分组成:4秒的延迟，接着是正弦波1.8秒和1.8秒（无刺激）的延迟。波形STIM 2由三部分组成:4秒的延迟，接着1.8秒（无刺激）的延迟，和通过1.8秒的正弦波。
      3. 为正弦波形，创建用于频率和幅度新可变参数。 MODIFŸ通过输入以下功能的兴衰正弦波功能。
         上升的波形:（1-E ^-bt）∙幅度∙正弦（频率），B = 9.1
         秋季波形:（E ^-bt）∙幅度∙正弦（频率），B = 9.1
      4. 在实验室图表的数据面板，创建一套属于振动刺激的35幅强度（或级别）35电压输出。 见表1。
   3. 设置在测试过程中的宏脚本测试振动频率振动刺激的开始/默认振幅（见补充代码文件部分）。
3. 编制和学科培训 - 测试环节
   1. 通知考试科目有关的测试程序，并让他们签署书面同意书。为了保证匿名性和满足数据保护需求，分配给每个参与者一个号码。
   2. 座位舒适科目在20-30℃之间一个安静的房间。指导他们关于测试以简单明了的方式，使主体知道在测试期间会发生什么。
   3. 将板上的受检者手臂。垫小指医疗面团，以尽量减少运动。放置在板上的黄铜棒与探针定位在测试手只是甲床下方的小指。确保探头与皮肤之间的适当接触并调整探针的位置，以利用水位水平位置。避免与圆平头的边缘皮肤接触。
      注意:这确保了探头的平坦表面施加大约30克（0.3 N），在皮肤表面。锋利的边缘可能会导致降低检测阈值。在黄铜棒的重质量阻止从周围到设备分心振荡的传输并减少所施加的正弦波的耗散。
   4. 在测试之前，得到的参与者Ş熟悉了设置。根据不同的测试频率，本既容易（级23）和一个硬（等级7），以通过改变振幅感知振动刺激直到受试者感觉到的振动，以确保所述的实验步骤被理解。
   5. 如果有必要，重新开始（默认）振幅所选择的频率，使拍摄者很容易发现的刺激时，测试协议开始（参见1.2.3）。
   6. 尽量减少在测试过程中主体与考官之间的相互作用。
   7. 通过运行使用两个替代强迫选择过程与上下自适应方法²²的脚本开始测试。
      注:操作在1.3.7-1.3.12由程序脚本自动化。
   8. 在每个试验中，即在视觉上指示所述测试受试者为"1"和"2"上的显示器（ 图1B）的屏幕上的两个区间中的一个中随机地管理一个振动刺激。有主题指示如果第一或第二顺序间隔按两个按钮"1"或对响应框"2"一包含在振动刺激。让主体进行推测，如果提出的刺激时，他或她不肯定。
      注:强迫选择技术需要即使在不感知的振动受试者响应。
   9. 在一个试验系列中，它由6至最多9单一试验中，重复相同的振动刺激在一个幅度电平连续的至少六倍。如果回答是正确的，减少对后来的审判系列刺激强度水平（下降规则）。
   10. 基于自适应方法（在脚本逻辑运算符）的决策规则，授予受更多的试验相同的刺激强度，如果这个问题使得审判一系列错误。降低刺激强度如果刺激是在至少5次试验正确识别，并错误地在不到2试验。
   11. 加大刺激水平，如果这个问题使得审判系列2不正确的反应;或一个以上的不正确的响应和少于5个的正确反应。
   12. 记录在刺激强度的方向上的变化，作为换向点。根据反转点编号更改刺激强度:前4强度等级第三反转点;在2强度等级^第三反转点; 1级其他（更多细节见补充代码文件和图4B）。
   13. 结束测试时，完成主题共8逆转。
   14. 通过采取最后6逆转的刺激振幅值的中值计算的VDT危害。

2.触觉敏锐的空间试验

1. 确定与使用触觉敏锐立方（TAC）两替代被迫选择光栅定位测试触觉敏锐度。交谘会由6个面各含光栅（巴和凹槽），其宽度为0.75毫米，1.25毫米，1.75毫米，3.0毫米，4.5毫米，和6.0毫米。
2. 座椅主体在温度20-30℃，并指示在任务间安静的房间。
3. 在实验期间，眼罩使用屏蔽眼镜的测试对象。将优势手与手掌面朝上的表。
4. 对准手指的长轴垂直（平行方向）或水平（横方向）:在每个试验中，两个光栅方向之一申请交到手指垫。随机选择每次试验光栅方向的顺序。
5. 应用TAC的光栅2秒至食指的指垫，以使立方体施加在手指（231 G）其全部重量。避免按下TAC的指垫。
6. 询问受试者以确定对准的取向的立方体从他们的手指移除。
7. 避免参与者的网络运动手指，因为它可能提供一个球杆的方向。丢弃试用如果实验者感测手指已经移动。
   注意:要注意的是小手指的动作可能不是由于该过程实验者来检测。
8. 采用在楼梯算法两向下和一个向上自适应方法。
9. 先从最大的光栅，6.0毫米。
10. 经过两次正确识别方向（正确反应）的降低光栅宽度。
11. 测试下，较小的宽度和步进规则继续下去，直到这个问题做了不正确的响应，并记录光栅宽度为反转点。
12. 再次增加光栅宽度逐步直到宽度的两个方向被再次正确地确定。
13. 完十三逆转完成后测试。
14. 通过采取最后10反向的光栅宽度的中值计算触觉光栅取向的阈值。

结果

压电致动器提供振动刺激受试者。振动刺激有1.8秒的总的持续时间和所述第一或第二时间间隔（ 图2A）在试用期间呈现一次。上升，并在发病下降时间和刺激的偏移是由功能（1-E ^-bt）∙振幅∙正弦（频率），和（e ^-bt）∙振幅∙正弦（频率），分别，其中确定b设定在9.1。上升，并在发病下降时间和偏移是500和600毫秒，分别和独立于测试频率和幅度的。其发作和之间的刺激的持续时间偏移相是700毫秒。逐渐兴衰确保平稳刺激交付。

振动检测阈值是依赖于刺激频率，因为它们是由不同蟾酥介RY受体。根据人类心理物理调谐曲线，阈值位于之间〜20nm到〜45微米^5。因此，一组（从18纳米到45微米范围内）的振动波形35的水平刺激的构造（ 图2B），其幅度值被布置对数（基数为10;刺激_{的n + 1} = 10 ^0....

讨论

用于评估VDT的技术变化，以设备的规格，硬件和测试协议。国际标准化组织指定的方法和程序来分析和解释振动触觉阈值包括一个振动计的各种部件的建议（ISO 13091-1和2 ^26,27）所描述的测试系统遵守用于测试的频率范围相关的ISO建议（4-125赫兹），方法，探针大小（上下楼梯和强迫选择的变体）（光滑边缘平坦和圆形），并在室温下测试。设置可配备一个传感器确定所述探头的位置和位移并且任选可以配备一个牢固环绕隔离振动刺激。

所描述的装置在于以下特点的好处:可用性和组件组装方便;可调频率范围1-500赫兹;波幅甚广范围（5纳米-90微米的位移）;多个探头尺寸;振动刺激大小和持续时间的可编程性;和多功能性的各种自适应方法测试心理协议。尽管便携式系统提供²⁸中，设置是运输和各种设置，如学校，科研院所，医院已被使用。研究中心，但是，应该有一个装备精良的车间制造额外的工具和所需的实验装置的设备。有商业组装好并准备使用的系统如案例IV或梅多克，但是这些系统被配置为只提供一组有限的刺激。相比之下，我们的系统可以被用来实现一个非常广泛的刺...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
压电陶瓷促动器	Physik Instrument， 德国	P-602.1L	线性压电促动器，带有集成的位置传感器和运动放大器，包含压电陶瓷材料，当施加电压时，该材料会伸长和收缩。压电致动器的行程可达 100 &μm。该执行器配有柔性铰链导轨，可确保直线运动，而不会倾斜或横向偏移。位移是线性的，校准由制造商完成和检查。建议在显微镜下检查探针的轴向移动。根据制造商的说法，在 20 Hz 的振荡频率下，刺激幅度的阻尼幅度不到 1000%。这可以通过使用力或位移测量设备（例如 Kleindiek 的力传感器）进行检查。
压电放大器/伺服控制器	Physik Instrument，德国	E-665	E-665 放大器/控制器通过传感器位置反馈（SGS 传感器）驱动和控制系统中低压压电致动器的位移。伺服控制器提供闭环作选项。当施加正弦和振荡刺激时，振幅信号偏离设定的振幅，从 500 Hz 开始，在 1000 Hz 时达到最大下降 20%。
LabChart 软件	ADInstruments，美国	LabChart 7，MLU60/8	可以创建、存储和运行心理物理测试算法的宏。
PowerLab	ADInstruments，美国	PowerLab 4/35 PL3504	数据采集硬件。与 LabChart 软件一起使用。
黄铜棒	由		棒，重 15.5 公斤。当电动致动器安装在黄铜棒上时，它应该对皮肤表面施加 30 g 的重量。
Monitor	Custom-made		标记第 1 个和第 2 个间隔。监视器向受试者指示可以呈现刺激的时间间隔。
响应框	自定义		主题表示刺激发生的间隔。
板	定制		上表面应光滑（塑料），下表面应由泡沫制成，以防止杂散振动或传递到刺激性 pobe。
探头	定制		一种扁平的圆形探头，带有光滑的边缘（热塑性材料），连接到螺钉头上。螺钉应具有适当的尺寸，以便直接拧紧到压电致动器的运动部件上。探头的大小可以根据喜好;在我们的例子中，直径 8.21 毫米，表面积 52.9 毫米2.
Labchart 脚本			可以根据要求发送。请参阅补充代码文件。
Tactile Acuity Cube	MedCore		该立方体由 6 个侧面组成，每个侧面包含一个宽度为 0.75、1.25、1.75、3.0、4.5 和 6.0 毫米的格栅（条和凹槽）。