Artículo de método

La medición de Umbral de detección de vibraciones y táctil espacial Agudeza en sujetos humanos

DOI:

10.3791/52966

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1 de septiembre de 2016

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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

En este artículo

Resumen

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A continuación, presentamos los protocolos para determinar los umbrales de detección de vibraciones y agudeza táctil usando métodos psicofísicos en el hombre.

Resumen

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Las pruebas que permiten la determinación precisa de los umbrales psicofísicos para la vibración y la orientación de la rejilla proporcionan información valiosa sobre la función mecanosensorial que es relevante para el diagnóstico clínico, así como para la investigación básica. En este trabajo describimos dos pruebas psicofísicas diseñadas para determinar el umbral de detección de vibraciones (sistema automatizado) y la agudeza espacial táctil (dispositivo manual). Ambos procedimientos implementan un paradigma experimental de elección forzada de dos intervalos y un paradigma experimental de regla transformada hacia arriba y hacia abajo. Estas pruebas se han utilizado para obtener perfiles mecanosensoriales de individuos de distintas cohortes humanas, como gemelos o personas con sordera neurosensorial.

Introducción

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Los receptores mecanosensoriales especializados en la piel median la percepción de la vibración y la orientación de la rejilla. Cada tipo de receptor mecanosensorial está ajustado para detectar características distintivas de los estímulos táctiles1,2. Esta propiedad proporciona la base psicofísica para una evaluación diferenciada de la función mecanosensorial mediante el uso de pruebas que proporcionan oscilaciones sinusoidales simples (vibración) o rejillas finas. Se sabe que los umbrales psicofísicos para la percepción de vibraciones son más bajos para las vibraciones de alta frecuencia que para las de baja frecuencia3,4. Dos tipos de mecanorreceptores de adaptación rápida asociados con los corpúsculos de Meissner y Pacini detectan principalmente estímulos de vibración de baja frecuencia (10-40 Hz) y alta (100-200 Hz), respectivamente5. Se cree que los umbrales psicofísicos para la percepción de las vibraciones dependen en gran medida de la activación de estos dos conjuntos de mecanorreceptores en sus mejores frecuencias6,7. La agudeza espacial táctil se prueba mediante la tarea de orientación de la rejilla para determinar la rejilla más fina cuya orientación puede ser discriminada por un sujeto 7-9. Las aferencias del complejo célula-neurita de Merkel son esenciales para detectar la orientación de la rejilla8,10. Curiosamente, ha habido un considerable progreso reciente en nuestra comprensión de las bases moleculares de cómo los mecanorreceptores detectan estímulos táctiles extremadamente pequeños11. Los canales iónicos mecanosensibles como Piezo2 y moduladores como STOML3 se han implicado directamente en la detección de estímulos táctiles finos en los receptores táctiles12-15. Ya hay pacientes humanos identificados con mutaciones que alteran la función en el gen Piezo2 y será importante probar si estos pacientes tienen déficits táctiles16.

La determinación del umbral vibrotáctil se basa en la entrega de un estímulo vibratorio a la piel. Los umbrales de detección de vibraciones varían con la frecuencia de vibración. La frecuencia de vibración a las curvas de umbral de detección fueron descritas por von Bekesey, Verillo y Bolanowski, entre muchos otros, desde la década de 1930 hasta la década de 19905,17. Los dispositivos en los primeros días se basaban en agitadores y amplificadores de potencia y se han comercializado varios dispositivos y hay mucha variación en cuanto a la elección del estimulador (frecuencia de prueba), el diámetro de la sonda en contacto con la piel, el uso de un entorno para limitar la estimulación a un área de la piel, y el protocolo de prueba que determina el umbral (consulte las siguientes referencias para obtener información más detallada sobre el dispositivo y las funciones de prueba)18-20. La mayoría de los dispositivos suelen probar un sitio; Sin embargo, existen nuevos dispositivos que utilizan estimuladores de desplazamiento vertical equipados con 2 sondas para entregar estímulos vibratorios con rangos de separación que se pueden variar21. Además, los umbrales de detección se miden en función de la discriminación de la frecuencia, la frecuencia o la intensidad de la vibración con la estimulación continua; o con estímulos de vibración intermitente con o sin un estímulo enmascarante. Por lo tanto, recomendamos que el lector esté al tanto de la gran cantidad de desarrollos en este campo.

Aquí, describimos los componentes del dispositivo y una guía paso a paso sobre cómo realizar pruebas psicofísicas para estimar el umbral de detección de vibraciones en sujetos humanos. A continuación, mostramos cómo evaluar la agudeza táctil manualmente utilizando el cubo de agudeza táctil. Utilizamos un paradigma de elección forzada de dos intervalos: el estímulo siempre se presenta durante uno de los dos intervalos y el sujeto tiene que indicar qué intervalo tiene el estímulo de vibración. Empleamos una regla transformada hacia arriba y hacia abajo como método adaptativo que ejecuta una búsqueda de umbral cambiando la intensidad del estímulo en función del rendimiento durante la prueba. Ambos protocolos psicofísicos pueden ser utilizados por los investigadores como una herramienta de cribado para la evaluación de las alteraciones en la sensibilidad al tacto.

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Protocolo

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El protocolo de ensayo fue aprobado por el Comité de Ética Charité-Universitätsmedizin.

1. Umbral de detección de la vibración (VDT)

  1. Dispositivo y Asamblea Protocolo de prueba - Las pruebas preliminares
    1. Montar los componentes del dispositivo de acuerdo con la Figura 1A. Coloque una tabla de superficie lisa (40 cm x 80 cm) sobre una mesa. Coloque la barra de latón en el tablero.
    2. Conectar el actuador piezoeléctrico (estimulador de vibración) a la unidad de controlador.
    3. Conectar la caja de respuesta y el dispositivo de monitor al sistema de adquisición de datos (véase el archivo de código suplementario).
    4. Conectar el sistema de adquisición de datos a un ordenador (o portátil), y para piezoeléctricos unidad de control del actuador.
    5. Tornillo de la medida estimular sonda para la parte móvil del actuador piezoeléctrico (para detalles de la sonda ver Materiales).
    6. Montar el actuador piezoeléctrico con la sonda en la barra de latón equilibrada.
  2. Protocolo de prueba
    1. La escritura de un protocolo de prueba que implementa el intervalo de dos-elección forzada y vencerás transformado y método de reducción. Ver archivo de código suplementario para un esquema de la secuencia de comandos.
    2. Construir la forma de onda del estímulo de vibración como una onda sinusoidal y especificar la duración del estímulo, subir y bajar características.
      1. Software abierto (por ejemplo, LabChart). Seleccione Configuración> Estimulador.
      2. Elija una forma de onda a medida y configurar las opciones del estimulador. Crear 2 formas de onda estímulo correspondientes a cada intervalo (STIM1 y STIM2).
        NOTA: El STIM1 forma de onda se compone de 3 partes: un retardo de 4 segundos, seguido por una onda sinusoidal de 1.8 seg, y un retraso de 1,8 segundos (sin estímulo). La forma de onda de estimulación 2 se compone de 3 partes: un retardo de 4 segundos, seguido de un retraso de 1,8 segundos (sin estímulo), y por una onda sinusoidal de 1,8 seg.
      3. Para la forma de onda sinusoidal, crear nuevos parámetros variables de frecuencia y amplitud. Modify la función de onda senoidal mediante la introducción de las siguientes funciones para el ascenso y descenso.
        Aumentando de forma de onda: (1-e-BT) ∙ ∙ amplitud sinusoidal (frecuencia), b = 9,1
        Caída de forma de onda: (e -bt) ∙ ∙ amplitud sinusoidal (frecuencia), b = 9,1
      4. En el panel de datos de la tabla de laboratorio, crear el conjunto de 35 salidas de tensión pertenecientes a las 35 intensidades de amplitud (o niveles) del estímulo de vibración. Véase la Tabla 1.
    3. Ajustar la amplitud de partida / default del estímulo de vibración de la frecuencia de vibración a prueba en la secuencia de comandos de macro para el procedimiento de prueba (véase la sección archivo de código suplementario).
  3. Preparación y Formación de Sujetos - sesión de pruebas
    1. Informar a los sujetos de prueba sobre el procedimiento de prueba y hacer que firmar un formulario de consentimiento por escrito. Para garantizar el anonimato y cumplir con los requisitos de protección de datos, asignar a cada participante un número.
    2. Asentar los sujetos con comodidaden una habitación tranquila, a temperaturas entre 20-30 ° C. Instruirlos acerca de la prueba de una manera sencilla y clara para que el sujeto sabe qué esperar durante la prueba.
    3. Coloque el brazo del sujeto en el tablero. La almohadilla del dedo meñique con la masa médico para minimizar el movimiento. Coloque la barra de latón en el tablero para colocar la sonda en el dedo meñique de la mano probado justo por debajo del lecho de la uña. Asegurar un contacto adecuado entre la sonda y la piel y ajustar la posición de la sonda a una posición horizontal mediante el nivel del agua. Evitar el contacto de la piel con los bordes de la sonda plana circular.
      NOTA: Esto asegura que la superficie plana de la sonda se aplica alrededor de 30 g (0,3 N) a la superficie de la piel. Los bordes afilados pueden conducir a la disminución de los umbrales de detección. La masa pesada de la barra de cobre impide la transmisión de las oscilaciones de distracción de los alrededores en el dispositivo y reduce al mínimo la disipación de la onda sinusoidal aplicada.
    4. Antes de la prueba, obtener el participantes familiarizado con la configuración. Dependiendo de la frecuencia de las pruebas, presente tanto un fácil (nivel 23) y un disco (nivel 7) para percibir estímulos de vibración mediante la variación de la amplitud hasta que el sujeto percibe una vibración para asegurar que el procedimiento experimental se entiende.
    5. Si es necesario, restablezca la amplitud de partida (por defecto) a la frecuencia seleccionada de forma que el sujeto puede detectar fácilmente el estímulo cuando el protocolo se inicie la prueba (ver 1.2.3).
    6. Minimizar las interacciones entre el sujeto y el examinador durante la prueba.
    7. Para empezar la prueba mediante la ejecución del script que usa el procedimiento de elección forzada de dos alternativas con el método adaptativo arriba-abajo 22.
      NOTA: Las acciones en 1.3.7-1.3.12 se automatizan por la secuencia de comandos del programa.
    8. En cada ensayo, administrar al azar un estímulo de vibración durante uno de los dos intervalos que se indican visualmente al sujeto de la prueba como "1" y "2" en la pantalla del monitor (Figura 1B).Haga que el sujeto indica si la primera o segunda intervalos secuenciales contenían el estímulo de vibración al pulsar uno de los dos botones "1" o "2" en el cuadro de respuesta. Deje que el sujeto haga una conjetura si él o ella no está segura cuando se presenta el estímulo.
      NOTA: La técnica de elección forzada requiere que el sujeto responde aun cuando la vibración no se percibe.
    9. En una serie de ensayos, que consiste en 6 a un máximo de 9 ensayos individuales, repita el mismo estímulo de vibración en un nivel de amplitud de al menos seis veces consecutivas. Si las respuestas son los correctos, reducir el nivel de estímulo intensidad (por regla general) para la serie juicio posterior.
    10. Sobre la base de la regla de decisión del método adaptativo (operadores lógicos en escritura), conceder el tema más ensayos para la misma intensidad del estímulo si el sujeto comete errores en una serie de ensayos. Reducir la intensidad del estímulo si el estímulo se identifica correctamente en al menos 5 ensayos, e incorrectamente en menos de 2ensayos.
    11. Aumentar el nivel de estímulo si el sujeto hace que las 2 respuestas incorrectas en una serie de prueba; o, más de una respuesta incorrecta y menos de 5 respuestas correctas.
    12. Documentar el cambio en la dirección de la intensidad del estímulo, como punto de inversión. Cambiar la intensidad del estímulo en función del número punto de inversión: antes de la tercera punto de inversión por 4 niveles de intensidad; en el punto de inversión 3º por 2 niveles de intensidad; bien por el nivel 1 (para más detalles, véase el archivo de código suplementario y la Figura 4B).
    13. Poner fin a la prueba cuando el sujeto se completa un total de 8 reveses.
    14. Calcular el VDT tomando la mediana del valor de amplitud del estímulo de los últimos 6 reversiones.

2. táctil espacial prueba de agudeza

  1. Determinar la agudeza táctil con una prueba de orientación de dos alternativas de elección forzada rejilla usando el Cubo de agudeza táctil (TAC). El TAC se compone de 6 lados, conteniendo cada unouna rejilla (barra y la ranura) cuya anchura es de 0,75 mm, 1,25 mm, 1,75 mm, 3,0 mm, 4,5 mm y 6,0 mm.
  2. temas de seguridad en una habitación tranquila a temperaturas entre 20-30 ° C y dar instrucciones sobre la tarea.
  3. Durante el experimento, los ojos vendados a los sujetos de prueba que usan gafas blindados. Coloque la mano dominante sobre una mesa con la superficie palmar hacia arriba.
  4. En cada ensayo, aplicar el TAC a la yema del dedo en una de dos orientaciones de rejilla: vertical (dirección paralela) u horizontal (dirección transversal) alineado con el eje largo del dedo. elegir al azar el orden de la orientación de rejilla para cada ensayo.
  5. Aplicar las rejillas del TAC de 2 segundos a la yema del dedo del dedo índice para que el cubo ejerce todo su peso sobre el dedo (233 g). Evite presionar el TAC en la yema del dedo.
  6. Pedir a los sujetos para determinar la orientación de la alineación antes de que el cubo se quita de su dedo.
  7. Evitar el movimiento del fi del participantededo, ya que podría proporcionar una señal para la orientación. Desechar el juicio si el experimentador detecta que el dedo se ha movido.
    NOTA: Tenga en cuenta que los movimientos de los dedos pequeños podrían no ser detectados por el experimentador en el procedimiento.
  8. Emplear dos abajo y el método de adaptación de un plano en el algoritmo de escalera.
  9. Comenzar con el más grande de rejilla, de 6,0 mm.
  10. Disminuir el ancho de rejilla después de dos correcta identificación de la orientación (respuesta correcta).
  11. Pruebe el siguiente ancho, más pequeño y continuar con la regla paso a paso hasta que el sujeto hace que una respuesta incorrecta y documentar el ancho de rejilla como un punto de inversión.
  12. Aumentar el paso a paso ancho de rejilla de nuevo hasta que las dos orientaciones de anchura se determinan correctamente de nuevo.
  13. Finalizar la prueba después de la finalización de trece reversiones.
  14. El cálculo del umbral orientación rejilla táctil mediante la adopción de la mediana de los anchos de rejilla de los últimos 10 reversiones.

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Resultados

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El actuador piezoeléctrico proporciona el estímulo de la vibración para el sujeto. El estímulo de vibración tiene una duración total de 1,8 seg y se presenta sólo una vez durante un ensayo durante el primer o segundo intervalo (Figura 2A). El ascenso y caída de tiempo en el comienzo y terminación del estímulo está determinada por las funciones (1-e-BT) ∙ ∙ amplitud sinusoidal (frecuencia), y (e -bt) ∙ ∙ amplitud sinusoidal (frecuencia), respectivame...

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Discusión

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Las técnicas utilizadas para evaluar VDT varían en cuanto a las especificaciones del dispositivo, el hardware y protocolos de pruebas. La Organización Internacional de Normalización especifica los métodos y procedimientos para analizar e interpretar los umbrales vibrotactile incluyendo recomendaciones para los diversos componentes de un vibrómetro (ISO 13091-1 y 2 26,27) El sistema de ensayo descrito permanece con las recomendaciones pertinentes de la ISO para el rango de frecuencia de las pruebas (4-125 Hz),...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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La investigación y el desarrollo que condujeron a la prueba de vibración descrita anteriormente fueron financiados por el Consejo Europeo de Investigación (ERC, ADG 294678) y el Consejo Alemán de Investigación (subvención, SFB665). Gracias al personal técnico y de soporte del Max-Delbrück-Center, el Sr. R. Fischer, B. Neumann y el Sr. M. Pflaume, que brindaron una ayuda inestimable con el proyecto.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Actuador piezoeléctricoPhysik Instrument, AlemaniaP-602.1LEl actuador piezoeléctrico lineal, con sensor de posición integrado y amplificador de movimiento, contiene un material piezocerámico que se alarga y contrae cuando se aplica voltaje. El actuador piezoeléctrico se desplaza hasta 100 µm. El actuador está equipado con una guía de flexión que garantiza un movimiento recto sin inclinación ni desplazamiento lateral. El desplazamiento es lineal y la calibración se realiza y comprueba por el fabricante. Se recomienda que el movimiento en el eje de la sonda se verifique bajo el microscopio. Según el fabricante, la amplitud del estímulo se amortigua en menos del 20% a frecuencias oscilantes de 1000 Hz. Esto se puede comprobar utilizando un dispositivo de medición de fuerza o desplazamiento (por ejemplo, un transductor de fuerza de Kleindiek).
Amplificador/servocontrolador piezoeléctricoPhysik Instrument, AlemaniaE-665El amplificador/controlador E-665 acciona y controla el desplazamiento de un actuador piezoeléctrico de bajo voltaje en un sistema con retroalimentación de posición del sensor (sensores SGS). El servocontrolador ofrece la opción de funcionamiento en bucle cerrado. Al aplicar estímulos sinusoidales y oscilantes, la señal de amplitud se desvía de la amplitud establecida a partir de 500 Hz y alcanza una disminución máxima del 20% a 1000 Hz.  
LabChart SoftwareADInstruments, EE. UULabChart 7, MLU60/8Puede crear, almacenar y ejecutar macros del algoritmo de pruebas psicofísicas.
PowerLabADInstruments, EE. UUPowerLab 4/35 PL3504. Se utiliza con el software LabChart.
Barra de latónBarra hechade latón puro, pesa 15,5 kg. Cuando el actuador peizoeléctrico está montado en la barra de latón, debe ejercer una fuerza de 30 g de peso sobre la superficie de la piel.
MonitoraPara marcar el 1º y el 2º intervalo. El monitor indica al sujeto los intervalos de tiempo durante los cuales se puede presentar el estímulo.
Cuadro de respuestaHecho aEl sujeto indica el intervalo en el que se produjo el estímulo.
Junta Directiva a medidadebe ser lisa (plástico), la superficie inferior debe estar hecha de espuma para evitar que la vibración se transmita al pobe estimulante.
SondaHechoa medida Una sonda circular plana con bordes suavizados (material termoplástico) unida a una cabeza de tornillo. El tornillo debe tener el tamaño adecuado para apretarlo directamente a la parte móvil del actuador piezoeléctrico. El tamaño de la sonda puede ser según las preferencias; en nuestro caso, diámetro 8,21 mm y superficie 52,9 mm2.
Labchart ScriptSe puede enviar bajo pedido. Ver archivo de código suplementario. 
Elcubo se compone de 6 lados, cada uno de los cuales contiene una rejilla (barra y ranura) cuyos anchos son 0,75, 1,25, 1,75, 3,0, 4,5 y 6,0 mm.
. . Hardware de adquisición de datos a medida medida medida La superficie superior hecha

Referencias

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