Die Messung der Schwingungserfassungsschwelle und Tactile Spatial Acuity in Human Subjects

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir Protokolle Schwingungserfassungsschwellen und taktile Sehschärfe mit psycho-physischen Methoden im Menschen zu bestimmen.

Zusammenfassung

Tests, die die genaue Bestimmung psychophysischer Schwellenwerte für Schwingung und Gitterorientierung ermöglichen, liefern wertvolle Informationen über mechanosensorische Funktionen, die sowohl für die klinische Diagnose als auch für die Grundlagenforschung relevant sind. Im Folgenden beschreiben wir zwei psychophysische Tests zur Bestimmung der Schwingungserkennungsschwelle (automatisiertes System) und der taktilen räumlichen Sehschärfe (Handgerät). Beide Verfahren implementieren ein zwei-Intervall-Forced-Choice-Paradigma und ein transformiertes Regel-Up-and-Down-Experiment. Diese Tests wurden verwendet, um mechanosensorische Profile für Personen aus unterschiedlichen menschlichen Kohorten wie Zwillinge oder Menschen mit sensorineuraler Taubheit zu erhalten.

Einleitung

Spezialisierte mechanosensorische Rezeptoren in der Haut vermitteln die Wahrnehmung von Vibrationen und die Ausrichtung des Gitters. Jeder mechanosensorische Rezeptortyp ist so abgestimmt, dass er unterschiedliche Merkmale taktiler Reize erkennt^1,2. Diese Eigenschaft bildet die psychophysische Grundlage für eine differenzierte Beurteilung der mechanosensorischen Funktion mit Hilfe von Tests, die einfache sinusförmige Schwingungen (Vibrationen) oder feine Gitter liefern. Es ist bekannt, dass die psychophysischen Schwellenwerte für die Schwingungswahrnehmung für hochfrequente Schwingungen niedriger sind als für niederfrequente^{Schwingungen 3,4}. Zwei Arten von sich schnell anpassenden Mechanorezeptoren, die mit den Meissner- und Pacini-Körperchen assoziiert sind, erkennen hauptsächlich niederfrequente (10-40 Hz) bzw. hochfrequente (100-200 Hz) Vibrationsreize^5. Es wird angenommen, dass die psychophysischen Schwellenwerte für die Schwingungswahrnehmung in erheblichem Maße von der Aktivierung dieser beiden Gruppen von Mechanorezeptoren bei ihren besten Frequenzen abhängen^6,7. Die taktile räumliche Schärfe wird durch die Gitterorientierungsaufgabe getestet, um das feinste Gitter zu bestimmen, dessen Orientierung von einem Subjekt ^7-9 unterschieden werden kann. Merkel-Zell-Neuriten-Komplex-Afferenzen sind essentiell für die Detektion der Gitterorientierung^8,10. Interessanterweise gab es in jüngster Zeit beträchtliche Fortschritte in unserem Verständnis der molekularen Grundlagen, wie Mechanorezeptoren extrem kleine taktile Reize erkennen¹¹. Mechanosensitive Ionenkanäle wie Piezo2 und Modulatoren wie STOML3 wurden direkt an der Detektion feiner taktiler Reize in den Berührungsrezeptoren^12-15 beteiligt. Es gibt bereits menschliche Patienten, bei denen funktionsverändernde Mutationen im Piezo2-Gen identifiziert wurden, und es wird wichtig sein zu testen, ob solche Patienten Berührungsdefizite haben¹⁶.

Die Bestimmung der vibrotaktilen Schwelle beruht auf der Abgabe eines vibrierenden Stimulus an die Haut. Die Schwellenwerte für die Schwingungserkennung variieren mit der Schwingungsfrequenz. Die Kurven zwischen Schwingungsfrequenz und Nachweisschwelle wurden von den 1930er bis 1990er Jahren unter anderem von von Bekesey, Verillo und Bolanowski beschrieben^5,17. Die Geräte in den Anfängen basierten auf Shakern und Leistungsverstärkern, und mehrere Geräte wurden kommerzialisiert, und es gibt viele Unterschiede in der Wahl des Stimulators (Testfrequenz), des Durchmessers der Sonde in Kontakt mit der Haut, der Verwendung einer Einfassung, um die Stimulation auf einen Bereich der Haut zu beschränken, und das Testprotokoll, das den Schwellenwert bestimmt (in den folgenden Referenzen finden Sie detailliertere Einblicke in das Gerät und die Testfunktionen)^18-20. Die meisten Geräte testen in der Regel eine Site. Es gibt jedoch neue Geräte, die vertikale Verschiebungsstimulatoren verwenden, die mit 2 Sonden ausgestattet sind, um Vibrationsreize mit unterschiedlichen Trennbereichen zu liefern²¹. Auch die Nachweisschwellen werden auf der Grundlage der Unterscheidung der Schwingungsfrequenz oder -intensität bei kontinuierlicher Stimulation gemessen. oder mit intermittierenden Vibrationsreizen mit oder ohne Maskierungsreiz. Daher empfehlen wir dem Leser, sich der Fülle der Entwicklungen in diesem Bereich bewusst zu sein.

Hier beschreiben wir die Komponenten des Geräts und eine Schritt-für-Schritt-Anleitung, wie psychophysische Tests durchgeführt werden, um die Vibrationserkennungsschwelle bei menschlichen Probanden abzuschätzen. Anschließend zeigen wir, wie man die Sehschärfe manuell mit dem Tastschärfewürfel beurteilen kann. Wir verwenden ein Zwei-Intervall-Forced-Choice-Paradigma: Der Reiz wird immer während eines von zwei Intervallen präsentiert und der Proband muss angeben, in welchem Intervall der Vibrationsreiz vorhanden ist. Wir verwenden eine transformierte Auf- und Ab-Regel als adaptive Methode, die eine Schwellensuche ausführt, indem wir die Reizintensität basierend auf der Leistung während des Tests ändern. Beide psychophysischen Protokolle können von Forschern als Screening-Instrument zur Bewertung von Veränderungen der Berührungsempfindlichkeit verwendet werden.

Protokoll

Das Testprotokoll wurde von der Charité-Universitätsmedizin Ethikkommission genehmigt.

1. Schwingungserfassungsschwelle (VDT)

1. Geräte- und Testprotokoll Assembly - Vortests
   1. Bauen Sie die Komponenten der Vorrichtung nach Figur 1A. Legen Sie eine glattflächige Platte (40 cm x 80 cm) auf einem Tisch. Legen Sie die Messingstange auf dem Brett.
   2. Schließen Sie den piezoelektrischen Aktor (Vibration Stimulator) an die Steuereinheit.
   3. Schließen Sie das Antwortfeld und die Überwachungseinrichtung an das Datenerfassungssystem (siehe Zusatzcode-Datei).
   4. Schließen Sie das Datenerfassungssystem an einen Computer (oder Laptop) und Aktor-Steuereinheit Piezo.
   5. Schrauben Sie die maßgeschneiderte Sonde mit dem beweglichen Teil des Piezoaktors stimulierenden (für Einzelheiten der Sonde siehe Materialien).
   6. Montieren Sie den piezoelektrischen Aktor mit der Sonde über die ausgewogene Messingstab.
2. Testprotokoll
   1. Script ein Testprotokoll, das die beiden Intervall Forced-Choice implementiert und transformiert-Regel nach oben und unten Methode. Siehe Zusatzcode-Datei für eine Gliederung des Skripts.
   2. Konstruieren Sie die Wellenform des Vibrationsreiz als Sinuswelle und Reizdauer angeben, steigen und fallen Eigenschaften.
      1. Offene Software (zB LabChart). Wählen Sie Einstellungen> Stimulator.
      2. Wählen Sie eine benutzerdefinierte Wellenform und konfigurieren Sie die Stimulator-Optionen. Erstellen 2 Stimulus-Wellenformen zu jedem Intervall gehör (STIM1 und STIM2).
         HINWEIS: Die Wellenform STIM1 besteht aus 3 Teilen: einer Verzögerungszeit von 4 sec, durch eine Sinuswelle von 1,8 sec folgen, und mit einer Verzögerung von 1,8 sec (kein Stimulus). Die Wellenform stim 2 besteht aus 3 Teilen: einer Verzögerung von 4 Sekunden, gefolgt mit einer Verzögerung von 1,8 sec (kein Stimulus) und durch eine Sinuswelle von 1,8 sec.
      3. Für die Sinuswellenform, neue variable Parameter für Frequenz und Amplitude. modify der Sinuswellenfunktion durch die folgenden Funktionen den Aufstieg und Fall der Eingabe.
         Anstiegswellenform: (1-e ^-bt) ∙ Amplitude ∙ Sinus (Frequenz), b = 9,1
         Fall - Wellenform: (e ^-bt) ∙ Amplitude ∙ Sinus (Frequenz), b = 9,1
      4. Im Datenfeld des Labor-Chart, erstellen Sie den Satz von 35 Spannungsausgänge in Bezug auf die 35 Amplitudenintensitäten (oder Stufen) des Vibrationsreiz. Siehe Tabelle 1.
   3. Stellen Sie den Start / default Amplitude der Schwingung Impulse für die getesteten Schwingungsfrequenz im Makro-Skript für das Testverfahren (Zusatzcode-Datei Abschnitt).
3. Vorbereitung und Schulung von Themen - Testing Session
   1. Informieren Testpersonen über das Testverfahren und haben sie unterzeichnen eine schriftliche Einverständniserklärung. Um sicherzustellen, dass Anonymität und Datenschutzanforderungen erfüllen, weisen Sie jedem Teilnehmer eine Nummer.
   2. Setzen Sie die Fächer bequemin einem ruhigen Raum bei Temperaturen zwischen 20-30 ° C. Weisen Sie sie über den Test in einer einfachen und klaren Art und Weise, so dass der Gegenstand weiß, was während der Prüfung zu erwarten.
   3. Legen Sie den Arm des Motivs auf dem Brett. Pad der kleine Finger mit medizinischen Teig Bewegung zu minimieren. Legen Sie die Messingstab auf der Platine, die Sonde auf dem kleinen Finger der Hand getestet zu positionieren knapp unter dem Nagelbett. Stellen Sie sicher, einen guten Kontakt zwischen der Sonde und der Haut und stellen Sie die Position der Sonde in eine horizontale Position der Wasserstand verwendet wird. Vermeiden Sie Hautkontakt mit den Rändern der kreisförmigen flachen Sonde.
      HINWEIS: Dadurch wird sichergestellt, dass die flache Oberfläche der Sonde um 30 g gilt (0,3 N) auf der Hautoberfläche. Scharfe Kanten können zu einer verminderten Erkennungsschwellen führen. Die schwere Masse der Messingstange verhindert die Übertragung von störenden Schwingungen aus der Umgebung der Vorrichtung und minimiert die Verlustleistung der angelegten Sinuswelle.
   4. Vor der Prüfung erhalten die Teilnehmers mit dem Setup vertraut gemacht. In Abhängigkeit von der Testfrequenz, Gegenwart sowohl ein leicht (Stufe 23) und eine harte (Stufe 7) in Schwingungs Stimulus wahrnehmen, indem die Amplitude variierende, bis der Gegenstand eine Schwingung wahrnimmt, um sicherzustellen, dass das experimentelle Verfahren verstanden wird.
   5. Bei Bedarf setzen Sie den Start (Standard) Amplitude bei der Frequenz so gewählt, dass das Thema leicht den Reiz erkennen kann, wenn die Testprotokoll beginnt (siehe 1.2.3).
   6. Minimieren Wechselwirkungen zwischen Subjekt und Prüfer während der Prüfung.
   7. Starten Sie den Test durch das Skript ausgeführt wird , der die Zwei-Alternative Forced-Choice Verfahren mit dem Aufwärts-Abwärts - adaptiven Verfahren ²² verwendet.
      HINWEIS: Die Aktionen in 1.3.7-1.3.12 werden vom Programm-Skript automatisiert.
   8. In jedem Versuch, zu verwalten zufällig einen Vibrationsreiz während einer der beiden Intervalle , die visuell angezeigt an den Probanden als "1" und "2" auf dem Bildschirm des Monitors (Abbildung 1B).Haben Sie das Thema an, ob die erste oder die zweite aufeinanderfolgende Intervalle durch Drücken einer der beiden Tasten "1" oder "2" auf dem Antwortfeld, um den Vibrationsreiz enthalten. Lassen Sie das Thema eine Vermutung zu machen, wenn er oder sie sich nicht sicher ist, wenn der Reiz präsentiert wird.
      HINWEIS: Die Forced-Choice-Technik erfordert, dass das Thema reagiert, selbst wenn die Schwingung nicht wahrgenommen wird.
   9. In einer Versuchsreihe, die auf maximal 9 Einzel Studien von 6 besteht, wiederholen Sie den Vibrationsreiz an einem Amplitudenpegel mindestens nacheinander sechsmal. Wenn die Antworten sind alle richtig, reduzieren die Reizintensität Niveau (minus-Regel) für die nachfolgende Versuchsreihe.
   10. Auf der Grundlage der Entscheidungsregel des adaptiven Methode (logische Operatoren in der Skript), gewähren dem Thema mehr Studien zur Intensität gleichen Reiz, wenn das Thema Fehler in einer Versuchsreihe macht. Reduzieren Sie die Reizintensität, wenn der Reiz richtig in mindestens fünf Studien identifiziert, und falsch in weniger als 2Versuche.
   11. Erhöhen Sie den Stimuluspegel, wenn das Thema die zwei falschen Antworten in einer Versuchsreihe macht; oder mehr als eine falsche Antwort und weniger als 5 korrekten Antworten.
   12. Dokumentieren Sie die Änderung in Richtung der Reizintensität, als Wendepunkt. Ändern Sie die Reizintensität entsprechend Umkehrpunkt-Nummer: vor dem dritten Wendepunkt um 4 Intensitätsstufen; bei der ^3. Umkehrpunkt um 2 Intensitätsstufen; (siehe für weitere Einzelheiten zusätzliche Code - Datei und 4B) um 1 Stufe anderes.
   13. Beenden Sie den Test, wenn das Thema insgesamt 8 Umkehrungen abgeschlossen ist.
   14. Berechnen Sie die VDT durch den Median des Reizes Amplitudenwert der letzten 6 Umkehrungen nehmen.

2. Tactile Räumliche Schärfe-Test

1. Bestimmen Sie taktile Sehschärfe mit einem zwei alternative forced choice Gitterorientierungstest mit dem Tactile Acuity Cube (TAC). Die TAC besteht aus 6 Seiten mit jeweilsein Gitter (bar und Nut), deren Breiten 0,75 mm, 1,25 mm, 1,75 mm, 3,0 mm, 4,5 mm und 6,0 ​​mm.
2. Sitz Themen in einem ruhigen Raum bei Temperaturen zwischen 20-30 ° C und weisen auf die Aufgabe.
3. Während des Experiments mit verbundenen Augen die Probanden mit geschirmten Brillen. Legen Sie die dominante Hand auf einem Tisch mit der Handfläche nach oben zeigt.
4. Bei jedem Versuch, an einem von zwei Gitterorientierungen der TAC auf die Fingerkuppe gelten: vertikal (parallel Richtung) oder horizontal (Querrichtung) zur Längsachse des Fingers ausgerichtet sind. wählen Zufällige Anordnung der Gitterorientierung für jeden Versuch.
5. Gelten die Gitter der TAC für 2 sec auf die Fingerkuppe des Zeigefingers, so daß der Würfel auf dem Finger (233 g) seine gesamte Gewicht ausübt. Vermeiden Sie die TAC auf der Fingerkuppe drücken.
6. Fragen Sie die Themen, die Orientierung der Ausrichtung zu bestimmen, bevor die Würfel aus dem Finger entfernt wird.
7. Vermeiden Sie Bewegung des fi des Teilnehmersnger, weil es vielleicht ein Stichwort zur Orientierung. Entsorgen Sie die Testversion, wenn der Experimentator spürt, dass der Finger bewegt hat.
   HINWEIS: Beachten Sie, dass kleine Fingerbewegungen könnten nicht vom Experimentator in dem Verfahren festgestellt werden.
8. Beschäftigen eine zwei-down und one-up adaptive Methode im Treppenhaus-Algorithmus.
9. Beginnen Sie mit dem größten Gitter, 6,0 mm.
10. Verringern Sie die Gitterbreite nach zwei korrekte Identifizierung der Orientierung (richtige Antwort).
11. Testen Sie die nächste, kleinere Breite und weiterhin mit der Schrittregel, bis das Objekt die Gitterbreite als Umkehrpunkt eine falsche Antwort und zu dokumentieren macht.
12. Erhöhen Sie die Gitterbreite schrittweise wieder, bis die beiden Orientierungen mit einer Breite wieder korrekt bestimmt werden.
13. Beenden Sie den Test nach Abschluss der dreizehn Umkehrungen.
14. Berechnen Sie die taktile Gitterorientierung Schwelle durch den Median der Gitterbreiten der letzten 10 Umkehrungen nehmen.

Ergebnisse

Der piezoelektrische Aktor bietet die Vibrationsreiz zum Thema. Der Vibrations Stimulus hat eine Gesamtdauer von 1,8 sec und wird während einer Probe während der ersten oder zweiten Intervalls (2A) nur einmal dargestellt. Die Anstiegs- und Abfallzeit zu Beginn und Offset des Stimulus wird durch die Funktionen bestimmt , (1-e ^-bt) ∙ Amplitude ∙ sine (Frequenz) und (e ^-bt) ∙ Amplitude ∙ sine (Frequenz) sind, wobei b wird bei 9,1 festgelegt. Die Anstie...

Diskussion

Die verwendeten Techniken VDT ​​zu bewerten variieren zu Gerätespezifikationen, Hardware und Testprotokolle. Die Internationale Organisation für Normung legt die Methoden und Verfahren vibrotaktilen Schwellenwerte einschließlich Empfehlungen für die verschiedenen Komponenten eines Vibrometer (ISO 13091-1 und 2 ^26,27) Das beschriebene Testsystem hält sich an die entsprechenden ISO - Empfehlungen für die Prüfung Frequenzbereich zu analysieren und zu interpretieren (4-125 Hz), Verfahren (Variante von oben nach u...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Piezoaktor	Physik Instrument, Deutschland	P-602.1L	Der lineare piezoelektrische Aktuator mit integriertem Positionssensor und Bewegungsverstärker enthält ein piezokeramisches Material, das sich beim Anlegen einer Spannung dehnt und zusammenzieht. Der piezoelektrische Aktuator bewegt sich bis zu 100 μm. Der Antrieb ist mit einer Biegeführung ausgestattet, die eine geradlinige Bewegung ohne Verkantung oder seitlichen Versatz gewährleistet. Die Verschiebung ist linear und die Kalibrierung wird vom Hersteller durchgeführt und überprüft. Es wird empfohlen, die Bewegung der Sonde auf der Achse unter dem Mikroskop zu überprüfen. Laut Hersteller dämpft sich die Stimulusamplitude bei Schwingfrequenzen von 1000 Hz um weniger als 20 %. Dies kann mit Hilfe eines Kraft- oder Wegmessgerätes (z.B. Kraftaufnehmer von Kleindiek) überprüft werden.
Piezo-Verstärker/Servo-Controller	Physik Instrument, Deutschland	E-665	E-665 Verstärker/Controller steuert und steuert die Auslenkung eines piezoelektrischen Niederspannungs-Aktuators in einem System mit Sensor-Positionsrückmeldung (SGS-Sensoren). Der Servoregler bietet die Option für einen geschlossenen Regelkreis. Beim Anlegen von sinusförmigen und oszillierenden Reizen weicht das Amplitudensignal ab 500 Hz von der eingestellten Amplitude ab und erreicht bei 1000 Hz eine maximale Abnahme von 20%.
LabChart Software	ADInstruments, USA	LabChart 7, MLU60/8	Kann Makros des psychophysischen Testalgorithmus erstellen, speichern und ausführen.
PowerLab	ADInstruments, USA	PowerLab 4/35 PL3504	Datenerfassungshardware. Wird mit der LabChart-Software verwendet.
Stange aus Messing	Maßgeschneiderte		Stange aus reinem Messing, wiegt 15,5 kg. Wenn der peizoelektrische Antrieb auf der Messingstange montiert ist, sollte er eine Kraft von 30 g Gewicht auf die Hautoberfläche ausüben.
Monitor	Custom-made		Zur Markierung des 1. und 2. Intervalls. Der Monitor zeigt dem Probanden die Zeitintervalle an, in denen der Reiz präsentiert werden kann.
Antwortfeld	Maßgeschneidert		Das Subjekt gibt das Intervall an, in dem der Reiz aufgetreten ist.
Vorstand	Die		Oberseite sollte glatt (Kunststoff) sein, die Unterseite sollte aus Schaumstoff bestehen, um Streuvibrationen zu verhindern, die auf den Stimulationskörper übertragen werden können.
Sonde	nach Maß		Eine flache kreisförmige Sonde mit geglätteten Kanten (thermoplastisches Material), die an einem Schraubenkopf befestigt ist. Die Schraube sollte die geeignete Größe haben, um direkt an dem beweglichen Teil des piezoelektrischen Aktuators festgezogen zu werden. Die Größe der Sonde kann je nach Vorliebe sein; in unserem Fall, Durchmesser 8,21 mm und Oberfläche 52,9 mm2.
Labchart Script			Kann auf Anfrage zugesandt werden. Siehe ergänzende Codedatei.
Tactile Acuity Cube	MedCore		Der Würfel besteht aus 6 Seiten, die jeweils ein Gitter (Stange und Nut) mit den Breiten 0,75, 1,25, 1,75, 3,0, 4,5 und 6,0 mm enthalten.