Articolo metodologico

Misura di rilevamento delle vibrazioni Soglia e tattile spaziale Acuity in soggetti umani

DOI:

10.3791/52966

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1 settembre 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In questo articolo

Sommario

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Qui, vi presentiamo i protocolli per determinare le soglie di rilevamento delle vibrazioni e l'acuità tattile con metodi psicofisici nell'uomo.

Abstract

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I test che consentono la determinazione precisa delle soglie psicofisiche per la vibrazione e l'orientamento del reticolo forniscono preziose informazioni sulla funzione meccanosensoriale che sono rilevanti per la diagnosi clinica e per la ricerca di base. Di seguito, descriviamo due test psicofisici progettati per determinare la soglia di rilevamento delle vibrazioni (sistema automatizzato) e l'acuità spaziale tattile (dispositivo portatile). Entrambe le procedure implementano un paradigma sperimentale a scelta forzata a due intervalli e una regola trasformata su e giù. Questi test sono stati utilizzati per ottenere profili meccanosensoriali per individui provenienti da coorti umane distinte come gemelli o persone con sordità neurosensoriale.

Introduzione

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I recettori meccanosensoriali specializzati nella pelle mediano la percezione della vibrazione e l'orientamento del reticolo. Ogni tipo di recettore meccanosensoriale è sintonizzato per rilevare caratteristiche distinte degli stimoli tattili1,2. Questa proprietà fornisce le basi psicofisiche per una valutazione differenziata della funzione meccanosensoriale utilizzando test che forniscono semplici oscillazioni sinusoidali (vibrazione) o reticoli fini. E' noto che le soglie psicofisiche per la percezione delle vibrazioni sono più basse per le vibrazioni ad alta frequenza che per quelle a bassa frequenza3,4. Due tipi di meccanocettori a rapido adattamento associati ai corpuscoli di Meissner e Paciniano rilevano principalmente stimoli di vibrazione a bassa (10-40 Hz) e alta frequenza (100-200 Hz), rispettivamente5. Si pensa che le soglie psicofisiche per la percezione delle vibrazioni dipendano in misura considerevole dall'attivazione di questi due insiemi di meccanocettori alle loro migliori frequenze6,7. L'acuità spaziale tattile viene testata dal compito di orientamento del reticolo per determinare il reticolo più fine il cui orientamento può essere discriminato da un soggetto 7-9. Le afferenze del complesso cellula-neurite di Merkel sono essenziali per rilevare l'orientamento del reticolo8,10. È interessante notare che ci sono stati notevoli progressi recenti nella nostra comprensione delle basi molecolari di come i meccanocettori rilevano stimoli tattili estremamente piccoli11. I canali ionici meccanosensibili come Piezo2 e modulatori come STOML3 sono stati direttamente implicati nel rilevamento di stimoli tattili fini nei recettori tattili12-15. Ci sono già pazienti umani identificati con mutazioni che alterano la funzione nel gene Piezo2 e sarà importante verificare se tali pazienti hanno deficit tattili16.

La determinazione della soglia vibrotattile si basa sull'erogazione di uno stimolo vibrante alla pelle. Le soglie di rilevamento delle vibrazioni variano in base alla frequenza di vibrazione. La frequenza di vibrazione rispetto alle curve di soglia di rilevamento sono state descritte da von Bekesey, Verillo e Bolanowski, tra molti altri, dagli anni '30 fino agli anni '905,17. I dispositivi nei primi giorni erano basati su agitatori e amplificatori di potenza e diversi dispositivi sono stati commercializzati e ci sono molte variazioni per quanto riguarda la scelta dello stimolatore (frequenza di test), il diametro della sonda a contatto con la pelle, l'uso di un surround per limitare la stimolazione a un'area della pelle, e il protocollo di test che determina la soglia (vedere i riferimenti seguenti per informazioni più dettagliate sul dispositivo e sulle funzionalità di test)18-20. La maggior parte dei dispositivi di solito testa un sito; Tuttavia, esistono nuovi dispositivi che utilizzano stimolatori a spostamento verticale dotati di 2 sonde per erogare stimoli vibratori con intervalli di separazione che possono essere variati21. Anche le soglie di rilevamento sono misurate in base alla frequenza di vibrazione o alla discriminazione dell'intensità con stimolazione continua; o con stimoli vibranti intermittenti con o senza stimolo di mascheramento. Pertanto, consigliamo al lettore di essere consapevole della pletora di sviluppi in questo campo.

Qui, descriviamo i componenti del dispositivo e una guida passo passo su come condurre test psicofisici per stimare la soglia di rilevamento delle vibrazioni nei soggetti umani. Viene quindi illustrato come valutare manualmente l'acuità tattile utilizzando il cubo dell'acuità tattile. Usiamo un paradigma a due intervalli, scelta forzata: lo stimolo viene sempre presentato durante uno dei due intervalli e il soggetto deve indicare quale intervallo ha lo stimolo vibratorio. Utilizziamo una regola trasformata su e giù come metodo adattivo che esegue una ricerca di soglia modificando l'intensità dello stimolo in base alle prestazioni durante il test. Entrambi i protocolli psicofisici possono essere utilizzati dagli investigatori come strumento di screening per la valutazione delle alterazioni della sensibilità al tatto.

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Protocollo

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Il protocollo di test è stato approvato dal Comitato Etico Charité-Universitätsmedizin.

1. rilevamento delle vibrazioni Soglia (VDT)

  1. Dispositivo e montaggio protocollo di test - Pretesting
    1. Assemblare i componenti del dispositivo di figura 1A. Posizionare un bordo di superficie liscia (40 cm x 80 cm) su un tavolo. Posizionare la barra di ottone sulla scheda.
    2. Collegare l'attuatore piezoelettrico (vibrazione stimolatore) all'unità di controllo.
    3. Collegare la scatola di risposta e il dispositivo monitor al sistema di acquisizione dati (vedi file di codice supplementare).
    4. Collegare il sistema di acquisizione dati ad un computer (o laptop), e per piezo unità di controllo attuatore.
    5. Fissare la misura stimolante sonda alla parte mobile dell'attuatore piezoelettrico (per le specifiche della sonda vedere Materials).
    6. Montare l'attuatore piezoelettrico con la sonda sulla barra di ottone equilibrata.
  2. test Protocol
    1. Script un protocollo di prova che implementa la scelta forzata di due intervalli e-regola trasformato su e giù il metodo. Vedere file di codice supplementare per una descrizione dei script.
    2. Costruire la forma d'onda dello stimolo vibrazioni come un'onda sinusoidale e specificare la durata di stimolo, salire e scendere le caratteristiche.
      1. Aprire il software (ad esempio, LabChart). Selezionare Impostazione> stimolatore.
      2. Scegli una forma d'onda personalizzato e configurare le opzioni stimolatore. Crea 2 forme d'onda di stimolo relativi a ciascun intervallo (STIM1 e stim2).
        NOTA: Il STIM1 forma d'onda è costituita da 3 parti: un ritardo di 4 secondi, seguita da un'onda sinusoidale di 1,8 sec, e un ritardo di 1,8 sec (senza stimolo). La forma d'onda STIM 2 è costituita da 3 parti: un ritardo di 4 secondi, seguito un ritardo di 1,8 sec (senza stimolo), e da un'onda sinusoidale di 1,8 sec.
      3. Per la forma d'onda sinusoidale, creare nuovi parametri variabili per frequenza e ampiezza. modify la funzione d'onda sinusoidale inserendo le seguenti funzioni per l'ascesa e la caduta.
        Aumento della forma d'onda: (1-e -BT) ∙ ∙ ampiezza sinusoidale (frequenza), b = 9.1
        Autunno forma d'onda: (e -BT) ∙ ∙ ampiezza sinusoidale (frequenza), b = 9.1
      4. Nel pannello dati del grafico laboratorio, creare una serie di 35 uscite in tensione relativi ai 35 intensità di ampiezza (o livelli) dello stimolo vibrazioni. Vedere la Tabella 1.
    3. Impostare l'ampiezza di partenza / default dello stimolo di vibrazione per la frequenza di vibrazione testato nello script macro per la procedura di test (vedi sezione supplementare file di codice).
  3. Preparazione e formazione di soggetti - Test Session
    1. Informare i soggetti di prova circa la procedura di test e li hanno firmare un modulo di consenso scritto. Per garantire l'anonimato e soddisfare i requisiti di protezione dei dati, assegnare ad ogni partecipante un numero.
    2. Sedile i soggetti comodamentein una stanza tranquilla a temperature comprese tra 20-30 ° C. istruirli sul test in modo semplice e chiaro in modo che il soggetto sa che cosa aspettarsi durante il test.
    3. Posizionare il braccio del soggetto sulla scheda. Pad il mignolo con la pasta medica per ridurre al minimo il movimento. Posizionare la barra di ottone sulla tavola per posizionare la sonda sul mignolo della mano testato appena sotto il letto ungueale. Garantire contatto tra la sonda e la pelle e regolare la posizione della sonda in posizione orizzontale con il livello dell'acqua. Evitare il contatto con i bordi della sonda piatta circolare.
      NOTA: Questo assicura che la superficie piatta della sonda applica circa 30 g (0,3 N) alla superficie della pelle. Gli spigoli vivi possono portare a soglie di rilevamento diminuito. La massa pesante della barra di ottone impedisce la trasmissione delle oscillazioni distrarre dalle frazioni al dispositivo e minimizza la dissipazione dell'onda sinusoidale applicata.
    4. Prima della prova, ottenere il partecipantes familiarizzato con la messa a punto. A seconda della frequenza di test, presente sia un facile (livello 23) e un disco (livello 7) per percepire stimoli vibrazioni variando l'ampiezza finché il soggetto percepisce una vibrazione per garantire che la procedura sperimentale è capito.
    5. Se necessario, ripristinare la partenza di ampiezza (default) alla frequenza selezionata in modo che il soggetto può facilmente rilevare lo stimolo all'avvio del protocollo di test (vedi 1.2.3).
    6. Ridurre al minimo le interazioni tra soggetto ed esaminatore durante la prova.
    7. Inizia il test eseguendo lo script che utilizza la procedura di scelta forzata a due alternative con il metodo adattivo up-down 22.
      NOTA: Le azioni in 1.3.7-1.3.12 sono automatizzate per lo script del programma.
    8. In ciascuna prova, gestire in modo casuale uno stimolo vibrazione durante uno dei due intervalli che sono visivamente indicati alla prova soggetto come "1" e "2" sullo schermo del monitor (Figura 1B).Avere il soggetto indicare se la prima o la seconda intervalli sequenziali contenevano lo stimolo di vibrazione premendo uno dei due pulsanti "1" o "2" sulla casella di risposta. Lasciate che il soggetto fare un'ipotesi, se lui o lei non è sicuro quando lo stimolo è presentato.
      NOTA: La tecnica scelta forzata richiede che il soggetto risponde anche quando la vibrazione non è percepito.
    9. In una serie di prova, che consiste di 6 ad un massimo di 9 prove singole, ripetere lo stesso stimolo vibrazioni ad un livello di ampiezza almeno sei volte consecutivamente. Se le risposte sono tutti corretti, ridurre il livello di stimolo intensità (in basso regola) per la successiva serie di prove.
    10. In base alla regola di decisione del metodo adattivo (operatori logici nello script), concedere il soggetto più prove per la stessa intensità dello stimolo se il soggetto fa errori in una serie di prova. Ridurre l'intensità dello stimolo se lo stimolo è correttamente identificato in almeno 5 prove, e non correttamente in meno di 2prove.
    11. Aumentare il livello di stimolo se il soggetto rende le 2 risposte errate in una serie di prova; o, più di una risposta non corretta e meno di 5 risposte corrette.
    12. Documentare il cambiamento della direzione di intensità dello stimolo, come punto di inversione. Modificare l'intensità dello stimolo in base al numero del punto di inversione: prima del terzo punto di inversione da 4 livelli di intensità; al 3 ° punto di inversione da 2 livelli di intensità; il resto di 1 livello (per maggiori dettagli vedi file di codice supplementare e figura 4B).
    13. Terminare la prova quando il soggetto completa un totale di 8 inversioni.
    14. Calcolare il VDT prendendo la mediana del valore dello stimolo ampiezza degli ultimi 6 inversioni.

2. tattile spaziale Acuity test

  1. Determinare l'acuità tattile con un test di orientamento a due alternative scelta forzata reticolo utilizzando la tattile Acuity Cube (TAC). Il TAC è composto da 6 lati contenenti ciascunaun reticolo (bar e femmina) la cui larghezza è 0,75 millimetri, 1,25 millimetri, 1,75 millimetri, 3,0 millimetri, 4,5 millimetri, e 6,0 mm.
  2. soggetti di seduta in una stanza tranquilla a temperature comprese tra 20-30 ° C e istruire il compito.
  3. Durante l'esperimento, bendare i soggetti del test che utilizzano gli occhiali schermati. Posizionare la mano dominante su un tavolo con la superficie palmare rivolta verso l'alto.
  4. In ciascuna prova, applicare la TAC al pad dito su uno dei due orientamenti reticolo: verticale (direzione parallela) o orizzontalmente (direzione trasversale) allineato all'asse lungo del dito. Casualmente scegliere l'ordine dell'orientamento griglia per ogni prova.
  5. Applicare le grate del TAC per 2 secondi al pad dito del dito indice in modo che il cubo esercita tutto il suo peso sul dito (233 g). Evitare di premere il TAC sul pad dito.
  6. Chiedi soggetti per determinare l'orientamento del allineamento entro il cubo viene rimosso dal dito.
  7. Evitare il movimento di fi del partecipantedito perché potrebbe fornire uno spunto per l'orientamento. Eliminare il processo se lo sperimentatore rileva che il dito si è mosso.
    NOTA: Attenzione che i movimenti delle dita piccole potrebbero non essere rilevati dallo sperimentatore nella procedura.
  8. Utilizzare un two-down e one-up metodo adattivo nell'algoritmo scala.
  9. Inizia con il più grande reticolo, 6,0 millimetri.
  10. Diminuire la larghezza reticolo dopo due corretta identificazione dell'orientamento (risposta corretta).
  11. Testare il prossimo larghezza, più piccolo e continuare con la regola passo fino a quando il soggetto fa una risposta non corretta e documentare la larghezza reticolo come un punto di inversione.
  12. Aumentare nuovamente la larghezza graduale reticolo finché i due orientamenti di larghezza sono determinati nuovo correttamente.
  13. Terminare il test dopo il completamento di tredici inversioni.
  14. Calcolare la soglia di orientamento reticolo tattile prendendo la mediana delle larghezze reticolo delle ultime 10 inversioni.

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Risultati

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L'attuatore piezoelettrico fornisce lo stimolo vibrazioni al soggetto. Lo stimolo di vibrazione ha una durata complessiva di 1,8 sec e viene presentata solo una volta durante una prova durante il primo o secondo intervallo (Figura 2A). L'ascesa e la caduta di tempo al momento della comparsa e offset dello stimolo è determinato, rispettivamente, in cui dalle funzioni (1-e -BT) ∙ ∙ ampiezza sinusoidale (frequenza), e (e -BT) ∙ ∙ ampiezza sinusoidale (...

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Discussione

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Le tecniche utilizzate per valutare VDT variano da specifiche del dispositivo, hardware e protocolli di sperimentazione. L'Organizzazione Internazionale per la Standardizzazione specifica i metodi e le procedure per analizzare e interpretare le soglie vibrotattili comprese le raccomandazioni per i vari componenti di un vibrometro (ISO 13.091-1 e 2 26,27) Il sistema di prova descritto si attiene alle pertinenti raccomandazioni ISO per gamma di frequenza di prova (4-125 Hz), il metodo (variante di scala up-...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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La ricerca e lo sviluppo che hanno portato al test di vibrazione sopra descritto sono stati finanziati dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC, ADG 294678) e dal Consiglio Tedesco della Ricerca (sovvenzione, SFB665). Un ringraziamento va al personale tecnico e di supporto del Max-Delbrück-Center, R. Fischer, B. Neumann e M. Pflaume, che hanno fornito un'assistenza inestimabile per il progetto.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Attuatore piezoelettricoPhysik Instrument, GermaniaP-602.1LL'attuatore piezoelettrico lineare, con sensore di posizione integrato e amplificatore di movimento, contiene un materiale piezoceramico che si allunga e si contrae quando viene applicata la tensione. L'attuatore piezoelettrico viaggia fino a 100 µm. L'attuatore è dotato di una guida di flessione che garantisce un movimento rettilineo senza inclinazioni o sfalsamenti laterali. Lo spostamento è lineare e la taratura viene eseguita e controllata dal produttore. Si consiglia di controllare al microscopio il movimento in asse della sonda. Secondo il produttore, l'ampiezza dello stimolo si smorza di meno del 20% a frequenze di oscillazione di 1000 Hz. Questo può essere verificato utilizzando un dispositivo di misurazione della forza o dello spostamento (ad es. trasduttore di forza di Kleindiek).
Amplificatore piezoelettrico/servocontrollorePhysik Instrument, GermaniaE-665L'amplificatore/controllore E-665 aziona e controlla lo spostamento di un attuatore piezoelettrico a bassa tensione in un sistema con feedback di posizione del sensore (sensori SGS). Il servocontrollore offre l'opzione per il funzionamento ad anello chiuso. Quando si applicano stimoli sinusoidali e oscillanti, il segnale di ampiezza si discosta dall'ampiezza impostata a partire da 500 Hz e raggiunge una diminuzione massima del 20% a 1000 Hz.  
LabChart SoftwareADInstruments, USALabChart 7, MLU60/8Può creare, memorizzare ed eseguire macro dell'algoritmo di test psicofisico.
PowerLabADInstruments, USAHardware di acquisizione dati PowerLab 4/35 PL3504. Utilizzato con il software LabChart.
Barra in ottoneBarra realizzatain ottone puro, pesa 15,5 kg. Quando l'attuatore peizoelettrico è montato sulla barra di ottone, deve esercitare una forza di 30 g di peso sulla superficie della pelle.
MonitorSu misuraPer contrassegnare il 1° e il 2° intervallo. Il monitor indica al soggetto gli intervalli di tempo durante i quali lo stimolo può essere presentato.
Casella di rispostaPersonalizzataIl soggetto indica l'intervallo in cui si è verificato lo stimolo.
Tavola su misuradeve essere liscia (plastica), la superficie inferiore in schiuma per evitare vibrazioni vaganti o essere trasmessa al pobe stimolante.
Sondasu misuraUna sonda circolare piatta con bordi levigati (materiale termoplastico) fissata a una testa di vite. La vite deve essere di dimensioni adeguate per essere serrata direttamente alla parte mobile dell'attuatore piezoelettrico. La dimensione della sonda può essere in base alle preferenze; nel nostro caso, diametro 8,21 mm e superficie 52,9 mm2,
Labchart ScriptPuò essere inviato su richiesta. Vedi il file del codice supplementare.
Cubo di acuità tattileMedCoreIl cubo è composto da 6 lati ciascuno contenente una griglia (barra e scanalatura) le cui larghezze sono 0,75, 1,25, 1,75, 3,0, 4,5 e 6,0 mm.
su misura La superficie superiore

Riferimenti

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Two Interval Forced ChoiceUp Down Adaptive MethodPiezoelectric ActuatorTactile Acuity CubeGrating Orientation ThresholdReversal Point CalculationMechanosensory ProfilingHuman Subject Testing

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