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Article de méthode

Mesure du seuil de détection de vibrations et tactile spatiale Acuity dans des sujets humains

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DOI :

10.3791/52966

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1 septembre 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

Dans cet article

Résumé

Ici, nous présentons des protocoles pour déterminer les seuils de détection de vibration et l'acuité tactile en utilisant des méthodes psychophysiques chez l'homme.

Résumé

Les tests qui permettent de déterminer avec précision les seuils psychophysiques pour l’orientation des vibrations et des réseaux fournissent des informations précieuses sur la fonction mécanosensorielle qui sont pertinentes pour le diagnostic clinique ainsi que pour la recherche fondamentale. Nous décrivons ici deux tests psychophysiques conçus pour déterminer le seuil de détection des vibrations (système automatisé) et l’acuité spatiale tactile (appareil portable). Les deux procédures mettent en œuvre un paradigme expérimental à choix forcé à deux intervalles et un paradigme expérimental à règle transformée de haut en bas. Ces tests ont permis d’obtenir des profils mécanosensoriels d’individus issus de cohortes humaines distinctes telles que des jumeaux ou des personnes atteintes de surdité neurosensorielle.

Introduction

Des récepteurs mécanosensoriels spécialisés dans la peau médient la perception des vibrations et l’orientation du réseau. Chaque type de récepteur mécanosensoriel est réglé pour détecter des caractéristiques distinctes des stimuli tactiles1,2. Cette propriété fournit la base psychophysique d’une évaluation différenciée de la fonction mécanosensorielle à l’aide de tests qui délivrent des oscillations sinusoïdales simples (vibrations) ou de fins réseaux. Il est connu que les seuils psychophysiques de perception des vibrations sont plus bas pour les vibrations à haute fréquence que pour les vibrations à basse fréquence3,4. Deux types de mécanorécepteurs à adaptation rapide associés aux corpuscules de Meissner et de Pacinien détectent principalement les stimuli vibratoires à basse fréquence (10-40 Hz) et à haute fréquence (100-200 Hz), respectivement5. On pense que les seuils psychophysiques de la perception des vibrations reposent dans une large mesure sur l’activation de ces deux ensembles de mécanorécepteurs à leurs meilleures fréquences6,7. L’acuité spatiale tactile est testée par la tâche d’orientation du réseau pour déterminer le réseau le plus fin dont l’orientation peut être discriminée par un sujet 7-9. Les afférences du complexe cellule-neurite de Merkel sont essentielles pour détecter l’orientation du réseau8,10. Il est intéressant de noter que des progrès considérables ont été réalisés récemment dans notre compréhension de la base moléculaire de la façon dont les mécanorécepteurs détectent des stimuli tactiles extrêmement petits11. Les canaux ioniques mécanosensibles comme Piezo2 et les modulateurs comme STOML3 ont été directement impliqués dans la détection de stimuli tactiles fins dans les récepteurstactiles 12-15. Il y a déjà des patients humains identifiés avec des mutations altérant la fonction dans le gène Piezo2 et il sera important de tester si ces patients ont des déficits tactiles16.

La détermination du seuil vibrotactile repose sur l’envoi d’un stimulus vibrant à la peau. Les seuils de détection des vibrations varient en fonction de la fréquence des vibrations. De la fréquence de vibration aux courbes de seuil de détection, entre autres von Bekesey, Verillo et Bolanowski, entre autres, des années 1930 aux années 19905,17. Les appareils au début étaient basés sur des agitateurs et des amplificateurs de puissance et plusieurs appareils ont été commercialisés et il y a beaucoup de variations quant au choix du stimulateur (fréquence de test), au diamètre de la sonde en contact avec la peau, à l’utilisation d’un entourage pour limiter la stimulation à une zone de la peau, et le protocole de test qui détermine le seuil (voir les références suivantes pour plus d’informations sur le dispositif et les fonctionnalités de test)18-20. La plupart des appareils testent généralement un seul site ; Cependant, il existe de nouveaux appareils qui utilisent des stimulateurs à déplacement vertical équipés de 2 sondes pour délivrer des stimuli vibratoires avec des plages de séparation qui peuvent être variées21. De plus, les seuils de détection sont mesurés en fonction de la fréquence des vibrations ou de la discrimination de l’intensité avec une stimulation continue ; ou avec des stimuli vibratoires intermittents avec ou sans stimulus de masquage. Par conséquent, nous recommandons au lecteur d’être conscient de la pléthore de développements dans ce domaine.

Ici, nous décrivons les composants de l’appareil et un guide étape par étape sur la façon de réaliser des tests psychophysiques pour estimer le seuil de détection des vibrations chez les sujets humains. Nous montrons ensuite comment évaluer manuellement l’acuité tactile à l’aide du cube d’acuité tactile. Nous utilisons un paradigme à deux intervalles, à choix forcé : le stimulus est toujours présenté pendant l’un des deux intervalles et le sujet doit indiquer quel intervalle a le stimulus vibratoire. Nous utilisons une règle transformée vers le haut et vers le bas comme méthode adaptative qui exécute une recherche de seuil en modifiant l’intensité du stimulus en fonction de la performance pendant le test. Les deux protocoles psychophysiques peuvent être utilisés par les chercheurs comme outil de dépistage pour l’évaluation des altérations de la sensibilité au toucher.

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Protocole

Le protocole d'essai a été approuvé par le Comité d'éthique Charité-Universitätsmedizin.

1. Seuil de détection de vibrations (VDT)

  1. Dispositif et essai Assemblée Protocole - prétest
    1. Assembler les éléments du dispositif selon la figure 1A. Placez une planche à surface lisse (40 cm x 80 cm) sur une table. Placez la barre de laiton sur la planche.
    2. Connecter l'actionneur piézo-électrique (vibrations du stimulateur) vers l'unité de contrôleur.
    3. Connectez la boîte de réponse et le dispositif de surveillance du système d'acquisition de données (voir fichier de code supplémentaire).
    4. Connecter le système d'acquisition de données sur un ordinateur (ou ordinateur portable), et piézo unité de commande de l'actionneur.
    5. Visser la sonde de stimulation à la partie mobile de l'actionneur piézo - électrique sur mesure (pour les détails de la sonde voir Matériaux).
    6. Monter l'actionneur piézo-électrique avec la sonde sur la barre de laiton équilibrée.
  2. Protocole d'essai
    1. Script d'un protocole de test qui implémente le choix forcé deux intervalles et transformé règle et méthode vers le bas. Voir le fichier de code supplémentaire pour un aperçu du script.
    2. Construire la forme d'onde du stimulus de vibration comme une onde sinusoïdale et préciser la durée du stimulus, augmenter et caractéristiques tomber.
      1. Ouvrez le logiciel (par exemple, LabChart). Sélectionnez Configuration> Stimulateur.
      2. Choisissez une forme d'onde personnalisée et configurer les options de stimulateur. Créer 2 formes d'onde de relance se rapportant à chaque intervalle (STIM1 et stim2).
        NOTE: Le STIM1 de forme d'onde est composé de 3 parties: un retard de 4 secondes, suivie d'une onde sinusoïdale de 1,8 sec, et un retard de 1,8 sec (aucun stimulus). La forme d'onde stim 2 est composé de 3 parties: un retard de 4 sec, suivi d'un retard de 1,8 sec (aucun stimulus), et par une onde sinusoïdale de 1,8 sec.
      3. Pour la forme d'onde sinusoïdale, créer de nouveaux paramètres variables pour la fréquence et de l'amplitude. Modify la fonction d'onde sinusoïdale en entrant les fonctions suivantes à la montée et la chute.
        Lève - forme d' onde: (1-e -bt) ∙ ∙ Amplitude sinus (fréquence), b = 9.1
        (E -bt) ∙ ∙ Amplitude sinus (fréquence), b = 9.1: forme d' onde d' automne
      4. Dans le panneau de données de la carte de laboratoire, de créer l'ensemble des 35 sorties de tension concernant les 35 intensités d'amplitude (ou niveaux) du stimulus de vibration. Voir le tableau 1.
    3. Réglez l'amplitude du stimulus de vibration pour la fréquence de vibration testé dans le script macro pour la procédure de test de démarrage / défaut (voir la section du fichier de code supplémentaire).
  3. Préparation et formation des sujets - Test Session
    1. Informer les sujets de test sur la procédure d'essai et de faire signer le formulaire de consentement écrit. Pour assurer l'anonymat et satisfaire aux exigences de protection des données, attribuer à chaque participant un nombre.
    2. Seat les sujets confortablementdans une pièce calme à des températures entre 20-30 ° C. Enseignez-leur sur le test d'une manière simple et claire afin que le sujet sait à quoi nous attendre pendant les essais.
    3. Placez le bras du sujet sur la planche. Pad le petit doigt avec de la pâte médicale pour minimiser le mouvement. Placez la barre de laiton sur la carte pour positionner la sonde sur le petit doigt de la main testé juste au-dessous du lit de l'ongle. Assurer un bon contact entre la sonde et la peau et ajuster la position de la sonde à une position horizontale en utilisant le niveau de l'eau. Eviter le contact de la peau avec les bords de la sonde circulaire plat.
      REMARQUE: Ceci garantit que la surface plane de la sonde applique environ 30 g (0,3 N) à la surface de la peau. Les arêtes vives peuvent conduire à des seuils de détection ont diminué. La lourde masse de la barre de laiton empêche la transmission des oscillations de distraction de l'environnement à l'appareil et réduit la dissipation de l'onde sinusoïdale appliquée.
    4. Avant l'essai, obtenir le participants familiarisé avec la configuration. En fonction de la fréquence d'essai, présente à la fois une simple (niveau 23) et un disque (niveau 7) pour percevoir des vibrations de stimulation en faisant varier l'amplitude jusqu'à ce que le sujet perçoit la vibration pour faire en sorte que la procédure expérimentale est compris.
    5. Si nécessaire, réinitialiser le démarrage (par défaut) amplitude à la fréquence sélectionnée afin que le sujet peut facilement détecter le stimulus lorsque le protocole de test commence (voir 1.2.3).
    6. Minimiser les interactions entre le sujet et l'examinateur lors de l'essai.
    7. Commencez le test en exécutant le script qui utilise les deux-procédure alternative à choix forcé avec la méthode adaptative 22 up-down.
      NOTE: Actions en 1.3.7-1.3.12 sont automatisées par le script de programme.
    8. Dans chaque essai, administrer au hasard un stimulus de vibration pendant l' un des deux intervalles qui sont visuellement indiqués au sujet comme "1" et "2" test sur ​​l'écran du moniteur (figure 1B).Avoir le sujet indiquent si les premiers ou deuxièmes intervalles séquentiels contenaient le stimulus de vibration en appuyant sur l'un des deux boutons "1" ou "2" sur la boîte de réponse. Laissez le sujet faire une supposition s'il ou elle ne sait pas quand le stimulus est présenté.
      NOTE: La technique à choix forcé exige que le sujet répond même lorsque la vibration est pas perçue.
    9. Dans une série d'essais, qui se compose de 6 à un maximum de 9 essais simples, répéter le même stimulus de vibration à un niveau d'amplitude au moins six fois consécutivement. Si les réponses sont toutes correctes, réduire le niveau de stimulation de l'intensité (vers le bas de la règle) pour la série de procès ultérieur.
    10. Sur la base de la règle de décision de la méthode adaptative (opérateurs logiques dans le script), accorder l'objet d'autres essais à la même intensité du stimulus si le sujet fait des erreurs dans une série de procès. Réduire l'intensité du stimulus si le stimulus est correctement identifié dans au moins 5 essais, et de manière incorrecte dans moins de 2les procès.
    11. Augmenter le niveau de stimulation si le sujet fait les 2 réponses incorrectes dans une série de procès; ou, plus d'une réponse incorrecte et moins de 5 réponses correctes.
    12. Documenter le changement dans la direction de l'intensité du stimulus, comme point d'inversion. Changer l'intensité du stimulus selon l'inversion numéro de point: avant le troisième point par 4 niveaux d'intensité d'inversion; au 3 ème point en 2 niveaux d'intensité d'inversion; d' autre par 1 niveau (pour plus de détails , voir fichier de code supplémentaire et la figure 4B).
    13. Mettre fin à l'essai lorsque le sujet remplit un total de 8 reprises.
    14. Calculer le VDT en prenant la médiane de la valeur de stimulation de l'amplitude des 6 dernières reprises.

2. Tactile Spatial Acuity test

  1. Déterminer l'acuité tactile avec un test d'orientation de deux choix alternatif forcé réseau utilisant le Cube tactile Acuity (TAC). Le TAC est composé de 6 côtés contenant chacunun réseau (bar et rainure) dont les largeurs sont de 0,75 mm, 1,25 mm, 1,75 mm, 3,0 mm, 4,5 mm et 6,0 mm.
  2. sujets de sécurité dans une chambre calme à des températures comprises entre 20-30 ° C et des instructions sur la tâche.
  3. Pendant l'expérience, bander les yeux des sujets de test en utilisant des lunettes blindés. Placez la main dominante sur une table avec la face palmaire vers le haut.
  4. A chaque essai, appliquer le TAC à la pulpe du doigt à l'une des deux orientations de réseau: verticalement (direction parallèle) ou horizontalement (direction transversale) aligné sur l'axe long du doigt. choisir au hasard l'ordre de l'orientation de réseau pour chaque essai.
  5. Appliquer les grilles du TAC pendant 2 secondes au tampon de doigt de l'index de telle sorte que le cube exerce tout son poids sur le doigt (233 g). Évitez d'appuyer le TAC sur le bout du doigt.
  6. Demandez aux sujets de déterminer l'orientation de l'alignement avant que le cube est retiré de leur doigt.
  7. Éviter tout mouvement de la fi du participantnger parce qu'il pourrait fournir un signal pour l'orientation. Jeter le procès si l'expérimentateur détecte que le doigt a été déplacé.
    NOTE: Attention que les petits mouvements des doigts pourraient ne pas être détectées par l'expérimentateur dans la procédure.
  8. Utiliser un à deux vers le bas et une méthode adaptative en place dans l'algorithme d'escalier.
  9. Commencez par le plus grand réseau, 6,0 mm.
  10. Diminuer la largeur réseau après deux identification correcte de l'orientation (réponse correcte).
  11. Testez l'autre, plus petite largeur et continuer avec la règle de progression jusqu'à ce que le sujet fait une réponse incorrecte et documenter la largeur de réseau comme un point d'inversion.
  12. Augmenter à nouveau la largeur progressive réseau jusqu'à ce que les deux orientations d'une largeur sont déterminés à nouveau correctement.
  13. Terminer le test après l'achèvement de treize reprises.
  14. Calculer le seuil d'orientation réseau tactile en prenant la médiane des largeurs de réseau des 10 dernières reprises.

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Résultats

L'actionneur piézo-électrique fournit la stimulation vibratoire de l'objet. Le stimulus de vibration a une durée totale de 1,8 s et est présenté qu'une seule fois au cours d' un procès au cours de la première ou la deuxième intervalle (figure 2A). La montée et la chute du temps au début et le décalage du stimulus est déterminée par les fonctions (1-e -bt) ∙ ∙ Amplitude sinus (fréquence), et (e -bt) ∙ ∙ Amplitude sinus (fréquence), re...

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Discussion

Les techniques utilisées pour évaluer VDT varient selon les spécifications de l'appareil, le matériel et les protocoles de test. L'Organisation internationale de normalisation précise les méthodes et procédures pour analyser et interpréter les seuils de vibrotactiles y compris des recommandations pour les différents composants d'un vibromètre (ISO 13091-1 et 2 26,27) Le système de test décrit respecte les recommandations pertinentes de l' ISO pour la gamme de fréquence de test (4-125 Hz), méth...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

La recherche et le développement qui ont conduit à l’essai de vibration décrit ci-dessus ont été financés par le Conseil européen de la recherche (ERC, ADG 294678) et le Conseil allemand de la recherche (subvention, SFB665). Nous remercions le personnel technique et d’assistance du Centre Max-Delbrück, M. R. Fischer, B. Neumann et M. Pflaume, qui ont apporté une aide précieuse au projet.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Actionneur piézoélectriquePhysik Instrument, AllemagneP-602.1LL’actionneur piézoélectrique linéaire, avec capteur de position intégré et amplificateur de mouvement, contient un matériau piézocéramique qui s’allonge et se contracte lorsqu’une tension est appliquée. L’actionneur piézoélectrique se déplace jusqu’à 100 & micro ;m. L’actionneur est équipé d’un guide de flexion qui assure un mouvement rectiligne sans basculement ni décalage latéral. Le déplacement est linéaire et l’étalonnage est effectué et vérifié par le fabricant. Il est recommandé de vérifier au microscope le mouvement dans l’axe de la sonde. Selon le fabricant, l’amplitude du stimulus s’atténue de moins de 20 % à des fréquences oscillantes de 1000 Hz. Cela peut être vérifié à l’aide d’un appareil de mesure de force ou de déplacement (par exemple un capteur de force de Kleindiek).
Amplificateur/servocontrôleur piézoélectriquePhysik Instrument, AllemagneL’amplificateur/contrôleur E-665 pilote et contrôle le déplacement d’un actionneur piézoélectrique basse tension dans un système avec retour de position de capteur (capteurs SGS). Le servocontrôleur offre la possibilité d’un fonctionnement en boucle fermée. Lors de l’application de stimuli sinusoïdaux et oscillants, le signal d’amplitude s’écarte de l’amplitude réglée à partir de 500 Hz et atteint une diminution maximale de 20 % à 1000 Hz.   ;
LabChart SoftwareADInstruments, États-UnisLabChart 7, MLU60/8Peut créer, stocker et exécuter des macros de l’algorithme de test psychophysique.  ;
PowerLabADInstruments, États-UnisPowerLab 4/35 PL3504. Utilisé avec le logiciel LabChart.
laitonBarre sur mesureen laiton pur, pèse 15,5 kg. Lorsque l’actionneur peizoélectrique est monté sur la barre en laiton, il doit exercer une force de 30 g de poids sur la surface de la peau.
Moniteursur mesurePour marquer le 1er et le 2ème intervalle. Le moniteur indique au sujet les intervalles de temps pendant lesquels le stimulus peut être présenté.
Boîte de réponseSurLe sujet indique l’intervalle auquel le stimulus s’est produit.
Conseil d’administration  ;Ladoit être lisse (plastique), la surface inférieure en mousse pour éviter les vibrations parasites ou être transmises à la pobe stimulante.
SondesurUne sonde circulaire plate aux bords lissés (matériau thermoplastique) fixée à une tête de vis. La vis doit être de taille appropriée pour être serrée directement sur la partie mobile de l’actionneur piézoélectrique. La taille de la sonde peut être selon les préférences ; dans notre cas, le diamètre 8,21 mm et la surface 52,9 mm2.
Labchart Scriptpeuvent être envoyés sur demande. Voir le fichier de code supplémentaire.  ;
Cube d’acuité tactileMedCoreLe cube est composé de 6 côtés contenant chacun une grille (barre et rainure) dont les largeurs sont de 0,75, 1,25, 1,75, 3,0, 4,5 et 6,0 mm.
Matériel d’acquisition de données Barre en mesure surface supérieure sur mesure mesure

Références

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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

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