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方法文章

人体振动感知阈值与触觉空间敏锐度的测量

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DOI：

10.3791/52966

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2016年9月1日

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1Department of Anesthesiology and Intensive Care Medicine, Charite Universitätsmedzin, Campus Virchow Klinikum und Campus Charite Mitte, 2Department of Neuroscience, Molecular Physiology of Somatic Sensation, Max Delbrück Center for Molecular Medicine, 3Institute of Pharmacology, University of Heidelberg

本文内容

摘要

本文介绍了利用心理物理学方法测定人体振动觉检测阈值和触觉敏锐度的实验方案。

摘要

能够精确定义振动和光栅方向心理物理阈值的测试，为机械感觉功能提供了有价值的信息，这些信息对于临床诊断以及基础研究均具有重要意义。本文介绍了两种心理物理测试方法，分别用于测定振动觉检测阈值（自动化系统）和触觉空间分辨能力（手持式设备）。这两种测试程序均采用双区间强制选择法和转换规则的上下法实验范式。这些测试已被用于获取来自不同人类群体（如双胞胎或感觉神经性耳聋患者）个体的机械感觉特征谱型。

引言

皮肤中的特化机械感受器介导振动和光栅方向的感知。每种类型的机械感受器均被调谐以检测触觉刺激的不同特征1,2。该特性为使用传递简单正弦振荡（振动）或细光栅的测试方法对机械感觉功能进行差异化评估提供了心理物理学基础。已知高频振动的振动感知心理物理学阈值低于低频振动3,4。与迈斯纳小体和帕西尼小体相关的两种快速适应性机械感受器主要分别检测低频（10–40 Hz）和高频（100–200 Hz）振动刺激5。目前认为，振动感知的心理物理学阈值在很大程度上依赖于这两类机械感受器在其最佳频率下的激活6,7。触觉空间分辨能力通过光栅方向辨别任务进行测试，以确定受试者能够分辨其方向的最细光栅7-9。默克尔细胞-神经末梢复合传入纤维对于检测光栅方向至关重要8,10。有趣的是，近年来在理解机械感受器如何探测极微弱触觉刺激的分子机制方面已取得显著进展11。机械敏感性离子通道（如Piezo2）以及调节因子（如STOML3）已被直接证实参与触觉感受器对精细触觉刺激的检测12-15。目前已发现携带Piezo2基因功能改变突变的人类患者，今后重要的是检验这些患者是否存在触觉功能缺陷16。

振动触觉阈值的测定依赖于向皮肤传递振动刺激。振动检测阈值随振动频率的变化而变化。自20世纪30年代至90年代以来，von Bekesey、Verillo 和 Bolanowski 等众多研究者已对振动频率与检测阈值之间的关系曲线进行了描述5,17。早期设备基于振动台和功率放大器，目前已有多款设备实现商业化，在刺激器的选择（测试频率）、与皮肤接触探头的直径、是否使用环绕结构以限制刺激区域，以及确定阈值的测试方案等方面存在较大差异（有关设备及测试特征的更详细信息，请参见以下参考文献）18-20。大多数设备通常仅测试一个部位；然而，也出现了新型设备，采用带有两个探头的垂直位移刺激器，可调节探头间距以施加不同分离距离的振动刺激21。此外，检测阈值可通过连续振动刺激下的频率或强度辨别来测量，也可通过间歇性振动刺激（无论是否附加掩蔽刺激）进行测量。因此，我们建议读者关注该领域内已有的大量技术进展。

本文介绍了该设备的组成部分，以及如何对人类受试者进行心理物理学测试以测定振动觉检测阈值的逐步操作指南。随后，我们展示了如何使用触觉分辨立方体手动评估触觉敏锐度。实验采用双区间强制选择范式：刺激始终在两个时间段中的其中一个呈现，受试者需判断哪个时间段包含了振动刺激。我们采用转换规则的上下自适应法作为阈值搜索策略，根据受试者在测试中的表现动态调整刺激强度。这两种心理物理学检测方案均可供研究人员用作评估触觉敏感性变化的筛查工具。

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方案

该测试方案已获得夏里特大学医学中心伦理委员会的批准。

1. 振动觉检测阈值（VDT）

  1. 设备与测试方案组装 — 测试前准备
    1. 根据图1A所示组装设备各组件。将一块表面光滑的木板（40 cm × 80 cm）放置于桌面上，并将黄铜横杆置于木板上。
    2. 将压电致动器（振动刺激器）连接至控制器单元。
    3. 将反应盒和显示器连接至数据采集系统（参见补充代码文件）。
    4. 将数据采集系统连接至计算机（或笔记本电脑）以及压电致动器控制器单元。
    5. 将定制的刺激探针拧入压电致动器的运动部件上（探针具体信息见材料部分）。
    6. 将带有探针的压电致动器安装在平衡的黄铜横杆上。
  2. 测试方案
    1. 编写测试协议脚本，实现双区间强制选择法与转换规则的上下自适应法。脚本概要参见补充代码文件。
    2. 构建振动刺激的波形为正弦波，并设定刺激持续时间、上升和下降特性。
      1. 打开软件（例如，LabChart）。选择 设置 > 刺激器。
      2. 选择自定义波形并配置刺激器选项。创建两个对应于每个区间的刺激波形（stim1 和 stim2）。
        注：波形 stim1 由三部分组成：4 秒延迟，随后是 1.8 秒的正弦波，再是 1.8 秒的延迟（无刺激）。波形 stim2 也由三部分组成：4 秒延迟，随后是 1.8 秒的延迟（无刺激），再是 1.8 秒的正弦波。
      3. 对于正弦波形，创建频率和振幅的新变量参数。通过输入以下函数来修改正弦波的上升和下降阶段。
        上升波形：(1-e-bt)∙Amplitude∙sine(frequency)，b = 9.1
        下降波形：(e-bt)∙Amplitude∙sine(frequency)，b = 9.1
      4. 在实验图表的数据面板中，创建一组35个电压输出，对应于振动刺激的35个振幅强度（或等级）。参见表1。
    3. 在测试程序的宏脚本中，设置被测振动频率下的起始（默认）振幅（参见补充代码文件部分）。
  3. 受试者准备与训练 — 测试会话
    1. 向受试者说明测试流程，并让其签署书面知情同意书。为确保匿名性并满足数据保护要求，为每位参与者分配一个编号。
    2. 让受试者在温度为20–30 °C的安静房间内舒适就座。以简单明了的方式向其讲解测试内容，使其清楚测试过程中将经历的情况。
    3. 将受试者的手臂放置在木板上。用医用橡皮泥垫住小指以减少移动。将黄铜横杆置于木板上，使探针准确定位于测试手小指指甲床下方。确保探针与皮肤之间接触良好，并使用水平仪调整探针位置至水平状态。避免皮肤与圆形平面探针的边缘接触。
      注：这可确保探针的平面区域对皮肤表面施加约30 g（0.3 N）的压力。尖锐边缘可能导致检测阈值降低。黄铜横杆的较大质量可防止周围环境的干扰振荡传递至设备，并最小化所施加正弦波的耗散。
    4. 测试前，让受试者熟悉实验装置。根据测试频率，通过调节振幅呈现一个易于感知（等级23）和一个较难感知（等级7）的振动刺激，直至受试者感知到振动，以确保其理解实验流程。
    5. 如有必要，在选定频率下重置起始（默认）振幅，使受试者在测试协议开始时能够轻松检测到刺激（参见1.2.3）。
    6. 测试期间尽量减少受试者与实验员之间的互动。
    7. 运行采用双选项强制选择法结合上下自适应方法的脚本以启动测试22。
      注：1.3.7–1.3.12 中的操作由程序脚本自动完成。
    8. 在每次试验中，随机在两个视觉标记为"1"和"2"的区间之一施加振动刺激（见图1B）。要求受试者通过按下反应盒上的按钮"1"或"2"，指出哪个连续区间包含振动刺激。若受试者不确定刺激出现时间，可进行猜测。
      注：强制选择技术要求受试者即使未感知到振动也必须做出响应。
    9. 在一个试验序列中（由6至最多9次单次试验组成），在同一振幅水平下至少连续重复相同振动刺激六次。若所有响应均正确，则在后续试验序列中降低刺激强度水平（下降规则）。
    10. 根据自适应方法的决策规则（脚本中的逻辑运算符），若受试者在某一试验序列中出现错误，则给予其更多相同刺激强度的试验。若在至少5次试验中正确识别刺激，且错误少于2次，则降低刺激强度。
    11. 若受试者在某一试验序列中出现2次错误响应，或错误响应超过1次且正确响应少于5次，则提高刺激强度。
    12. 记录刺激强度变化方向，作为反转点。根据反转点数量调整刺激强度：在第三次反转点之前每次调整4个强度等级；在第3个反转点调整2个等级；其余情况每次调整1个等级（详细信息参见补充代码文件和图4B）。
    13. 当受试者完成总共8次反转后，结束测试。
    14. 通过取最后6次反转的刺激振幅值的中位数，计算振动检测阈值（VDT）。

2. 触觉空间敏锐度测试

  1. 使用触觉敏锐度立方体（Tactile Acuity Cube, TAC）通过双选强制选择的光栅方向辨别测试来测定触觉敏锐度。TAC 包含6个面，每个面上均有光栅（条状与沟槽），其宽度分别为 0.75 mm、1.25 mm、1.75 mm、3.0 mm、4.5 mm 和 6.0 mm。
  2. 将受试者安置在温度为 20–30 °C 的安静房间内，并向其说明实验任务。
  3. 实验过程中，使用遮光眼镜蒙住受试者双眼。将优势手置于桌面上，手掌朝上。
  4. 每次试验时，将 TAC 以两种光栅方向之一接触受试者指腹：垂直方向（与手指长轴平行）或水平方向（与手指长轴垂直）。每次试验的光栅方向应随机选择。
  5. 将 TAC 的光栅面接触食指指腹 2 秒，使立方体以其全部重量（233 g）压在手指上。避免额外施加压力。
  6. 在将立方体从手指移开之前，要求受试者判断光栅的方向。
  7. 避免受试者手指移动，因为这可能提供方向判断的线索。若实验者察觉手指发生移动，则应舍弃该次试验。
    注意：需注意在实验过程中，微小的手指移动可能不易被实验者察觉。
  8. 采用阶梯算法中的“两降一升”自适应方法。
  9. 从最宽的光栅（6.0 mm）开始测试。
  10. 当受试者连续两次正确识别方向（正确反应）后，减小光栅宽度。
  11. 测试下一个更窄的光栅宽度，并按照此递进步骤继续，直至受试者出现一次错误反应，记录此时的光栅宽度作为一次反转点。
  12. 随后逐步增加光栅宽度，直至受试者再次连续正确识别该宽度下的两个方向。
  13. 完成13次反转后结束测试。
  14. 通过计算最后10次反转点所对应的光栅宽度的中位数，得出触觉光栅方向辨别阈值。

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结果

压电驱动器向受试者提供振动刺激。振动刺激的总持续时间为1.8秒，在每次试验中仅于第一或第二时间间隔内呈现一次（图2A）。刺激起始和终止时的上升与下降时间分别由函数 (1-e-bt)∙Amplitude∙sine(frequency) 和 (e-bt)∙Amplitude∙sine(frequency) 确定，其中b设定为9.1。刺激起始和终止时的上升与下降时间分别为500毫秒和600毫秒，且与测试频率和振幅无关。刺激在起始相和终止相之间的持续时间为700毫秒。逐渐上升和下降的设计可确保刺激传递平滑。

振动检测阈值依赖于刺激频率，因为不同频率的刺激由不同的感觉感受器介导。根据人类心理物理学调谐曲线，检测阈值介于约 20 nm 至约 45 µm 之间5。因此，构建了一组包含 35 个刺激强度水平（范围从 18 nm 到 45 µm）的振动波形（

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讨论

用于评估振动触觉阈值（VDT）的技术因设备规格、硬件和测试方案的不同而有所差异。国际标准化组织（ISO）规定了分析和解读振动触觉阈值的方法与程序，包括振动计各个组件的推荐要求（ISO 13091-1 和 226,27）。所述测试系统符合相关 ISO 建议，测试频率范围为 4–125 Hz，采用上下阶梯法与强制选择法的变体，探头尺寸为光滑边缘的平坦圆形，测试在室温下进行。该装置可配备传感器以确定探头的位置和位移，也可选择配备坚固的周围结构以隔离振动刺激。

所述设备的优点在于具有以下特性：组件易于获取且组装简便；频率范围可调（1-500 Hz）；振幅范围宽（位移5 nm-90 µm）；配备多种探头尺寸；可对振动刺激的强度和持续时间进行编程控制；并可灵活应用于采用多种自适应方法的心理物理学测试方案。尽管已有便携式系统可用28，本装置仍具备良好的可移动性，已在学校、研究机构和医院等多种场所使用。然而，研究机构应配备完善的加工车间，以便制作实验装置所需的其他工具和设备。目前市场上也有 commercially assembled 且即用型的系统（<...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

上述振动测试的研究与开发工作由欧洲研究理事会（ERC，高级资助项目编号294678）和德国研究基金会（资助项目编号SFB665）提供资金支持。感谢马克斯·德尔布吕克中心的技术与支持团队R. Fischer先生、B. Neumann和M. Pflaume先生在项目中提供的宝贵协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
压电驱动器Physik Instrument, GermanyP-602.1L线性压电驱动器内置位置传感器和运动放大器，包含一种压电陶瓷材料，当施加电压时会伸长或收缩。该压电驱动器的最大行程可达100 µm。驱动器配备柔性导向装置，可确保直线运动，无倾斜或横向偏移。位移呈线性，校准由制造商完成并经过检查。建议在显微镜下检查探针的轴向运动。根据制造商说明，在1000 Hz的振荡频率下，刺激幅度衰减小于20%。可通过力或位移测量设备（例如Kleindiek公司的力传感器）进行验证。
压电放大器/伺服控制器Physik Instrument, GermanyE-665E-665放大器/控制器用于驱动和控制带位置反馈传感器（SGS传感器）系统的低压压电驱动器的位移。该伺服控制器支持闭环操作模式。在施加正弦波或振荡刺激时，从500 Hz开始，输出信号幅度开始偏离设定值，并在1000 Hz时最大衰减达20%。  
LabChart软件ADInstruments, USALabChart 7, MLU60/8可用于创建、存储和运行心理物理学测试算法的宏。 
PowerLabADInstruments, USAPowerLab 4/35 PL3504数据采集硬件，与LabChart软件配合使用。
黄铜杆定制由纯黄铜制成，重15.5 kg。当压电驱动器安装在黄铜杆上时，应使探针在皮肤表面施加约30 g的力。
显示器定制用于标记第一个和第二个时间区间。显示器向受试者提示刺激可能出现的时间段。
反应盒定制受试者用以指示刺激发生的时间区间。 
基板 定制上表面应光滑（塑料材质），下表面为泡沫材料，以防止杂散振动传递至刺激探针。 
探针定制由热塑性材料制成的平圆形探针，边缘光滑，连接在螺钉头部。螺钉尺寸应合适，可直接拧紧至压电驱动器的运动部件上。探针尺寸可根据需要调整；本实验中，直径为8.21 mm，表面积为52.9 mm2。
LabChart脚本可根据请求提供。参见补充代码文件。 
触觉分辨力测试立方体MedCore该立方体包含六个面，每个面上均有不同宽度的光栅（条状凸起与凹槽），宽度分别为0.75、1.25、1.75、3.0、4.5和6.0 mm。 

参考文献

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