방법 논문

인간 주제에 진동 감지 임계 값과 촉각 공간 시력 측정

DOI:

10.3791/52966

⸱

2016년 9월 1일

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

여기서는 프로토콜 인간의 정신 물리학 적 방법을 이용하여 진동을 검출 임계 값과 촉각 시력을 결정하기 위해 제시한다.

초록

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진동 및 격자 방향에 대한 정신 물리학적 임계값을 정확하게 결정할 수 있는 테스트는 임상 진단 및 기초 연구와 관련된 기계 감각 기능에 대한 귀중한 정보를 제공합니다. 여기에서는 진동 감지 임계값(자동화 시스템)과 촉각 공간 예민성(휴대용 장치)을 결정하기 위해 고안된 두 가지 정신물리학적 테스트에 대해 설명합니다. 두 절차 모두 2-interval forced-choice 및 transformed-rule up and down 실험 패러다임을 구현합니다. 이러한 검사는 쌍둥이 또는 감각신경성 난청이 있는 사람과 같은 별개의 인간 코호트에 속한 개인에 대한 기계 감각 프로파일을 얻는 데 사용되었습니다.

서론

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피부 속의 특수화된 기계감각 수용체(mechanosensory receptor)는 진동과 격자 방향에 대한 인식을 매개합니다. 각 기계감각 수용체 유형은 촉각 자극1,2의 뚜렷한 특징을 감지하도록 조정됩니다. 이 속성은 단순한 정현파 진동(진동) 또는 미세한 격자를 전달하는 테스트를 사용하여 기계 감각 기능에 대한 차별화된 평가를 위한 정신물리학적 기반을 제공합니다. 진동 인식을 위한 정신물리학적 임계값은 저주파 진동보다 고주파 진동에서 더 낮은 것으로 알려져 있습니다3,4. 마이스너(Meissner)와 파시니안 미립자(Pacinian corpuscle)와 관련된 두 가지 유형의 빠르게 적응하는 기계수용체(mechanoreceptor)는 주로 저주파(10-40Hz) 및 고주파(100-200Hz) 진동 자극을 각각 감지한다5. 진동 인식에 대한 정신 물리학적 임계 값은 최상의 주파수6,7에서이 두 세트의 기계 수용체의 활성화에 상당한 정도로 의존하는 것으로 생각됩니다. 촉각 공간 예리함은 격자 방향 작업에 의해 테스트되어 피험자 7-9에 의해 방향을 구별할 수 있는 가장 미세한 격자를 결정합니다. Merkel cell-neurite complex 구심성은 격자 방향8,10을 감지하는 데 필수적입니다. 흥미롭게도, 기계수용체(mechanoreceptor)가 극히 작은 촉각 자극을 감지하는 방법에 대한 분자적 기초에 대한 이해에 있어 최근 상당한 진전이 있었다11. Piezo2와 같은 메카노민감성 이온 채널 및 STOML3와 같은 조절제는 접촉 수용체12-15에서 미세한 촉각 자극을 감지하는 데 직접적으로 관여했습니다. 피에조2(Piezo2) 유전자에서 기능 변경 돌연변이가 확인된 인간 환자들이 이미 존재하며, 이러한 환자들이 접촉 결핍(touch defilts)을 가지고 있는지 여부를 검사하는 것이 중요할 것이다16.

진동 촉각 역치의 결정은 피부에 진동 자극을 전달하는 데 달려 있습니다. 진동 감지 임계값은 진동 주파수에 따라 달라집니다. 감지 임계 값 곡선에 대한 진동 주파수는 1930 년대부터 1990 년대까지 von Bekesey, Verillo 및 Bolanowski에 의해 설명되었습니다5,17. 초기의 장치는 셰이커와 파워 앰프를 기반으로 했으며 여러 장치가 상용화되었으며 자극기의 선택(테스트 주파수), 피부와 접촉하는 프로브의 직경, 피부의 한 부위에 자극을 제한하기 위한 서라운드 사용, 임계값을 결정하는 테스트 프로토콜(장치 및 테스트 기능에 대한 자세한 내용은 다음 참조 참조)18-20. 대부분의 장치는 일반적으로 하나의 사이트를 테스트합니다. 그러나 2개의 프로브가 장착된 수직 변위 자극기를 사용하여 다양할 수 있는 분리 범위로 진동 자극을 전달하는 새로운 장치가 있습니다21. 또한 감지 임계값은 지속적인 자극을 통한 진동, 빈도 또는 강도 구별을 기반으로 측정됩니다. 또는 마스킹 자극이 있거나 없는 간헐적 진동 자극. 따라서 독자가 이 분야의 과다한 발전을 인식할 것을 권장합니다.

여기에서는 장치의 구성 요소와 인간 피험자의 진동 감지 임계값을 추정하기 위해 정신물리학적 테스트를 수행하는 방법에 대한 단계별 가이드를 설명합니다. 그런 다음 촉각 시력 큐브를 사용하여 수동으로 촉각 시력을 평가하는 방법을 보여줍니다. 우리는 두 개의 간격, 강제 선택 패러다임을 사용합니다 : 자극은 항상 두 개의 간격 중 하나 동안 제시되고 피험자는 어떤 간격이 진동 자극을 가지고 있는지 표시해야합니다. 우리는 테스트 중 성능에 따라 자극 강도를 변경하여 임계값 검색을 실행하는 적응형 방법으로 변환된 규칙 up/down을 사용합니다. 두 정신물리학적 프로토콜은 연구자가 터치 민감도의 변화를 평가하기 위한 선별 도구로 사용할 수 있습니다.

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프로토콜

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시험 프로토콜은 샤리 테-Universitätsmedizin 윤리위원회에 의해 승인되었다.

1. 진동 감지 임계 값 (VDT)

  1. 장치 및 테스트 프로토콜 조립 - 사전 테스트
    1. 도 1A에 따른 디바이스의 부품을 조립한다. 테이블에 매끄러운 표면이 보드 (40cm X 80cm)를 놓습니다. 보드의 황동 줄을 놓습니다.
    2. 제어부에 압전 액츄에이터 (진동 자극)을 연결한다.
    3. 응답 상자 및 데이터 수집 시스템에 모니터 장치를 연결 (기업 코드 파일 참조).
    4. 컴퓨터 (노트북)로 데이터 수집 시스템을 연결하고, 액추에이터 제어부 피에조.
    5. 사용자 정의 만든 압전 액추에이터의 가동 부분에 프로브를 자극 (프로브의 특성은 재료를 볼에 대한)를 나사.
    6. 균형 황동 바의 프로브와 압전 액추에이터를 탑재합니다.
  2. 테스트 프로토콜
    1. 스크립트 최대 및 방법 아래 두 간격 강제 선택과 변화 - 규칙을 구현하는 테스트 프로토콜입니다. 스크립트의 개요에 대한 보충 코드 파일을 참조하십시오.
    2. 상승과 특성을 넘어, 정현파로 진동 자극의 파형을 구축하고 자극 지속 시간을 지정합니다.
      1. 오픈 소프트웨어 (예를 들어, LabChart). 설정> 자극기.
      2. 사용자 정의 파형을 선택하고 자극 옵션을 구성합니다. 각 간격 (STIM1 및 stim2)에 관한 2 자극 파형을 생성합니다.
        주 : 4 초 지연 시간 1.8 초, 정현파, 1.8 초 (NO 자극)의 지연 하였다 : 파형 STIM1이 세 부분으로 구성되어있다. 파형 STIM 2 세 부분으로 구성된다 : 4 초 지연은 1.8 초 (NO 자극)의 지연 시간 후, 1.8 초 정현파로.
      3. 정현파 파형, 주파수 및 진폭에 대한 새로운 변수 매개 변수를 만들 수 있습니다. ModifY의 상승과 하강으로 다음과 같은 기능을 입력함으로써 정현파 함수.
        파형을 상승 : (1-E -bt) ∙ 진폭 ∙ 사인 (주파수), B = 9.1
        (전자 -bt) ∙ 진폭 ∙ 사인 (주파수), B = 9.1 : 파형 가을
      4. 실험실 차트의 데이터 패널에서 진동 자극의 35 진폭 강도 (또는 수준)에 관한 (35) 전압 출력의 세트를 만들 수 있습니다. 표 1을 참조하십시오.
    3. 시험 절차는 매크로 스크립트의 테스트 진동 주파수의 진동 자극의 시작 / 기본 진폭 (보충 코드 파일 섹션을 참조)을 설정합니다.
  3. 준비 및 주제의 교육 - 테스트 세션
    1. 시험 절차에 대한 시험 과목을 통보하고 서면 동의서에 서명했다. 익명 성을 보장하고 데이터 보호 요구 사항을 충족, 각 참가자에게 번호를 할당합니다.
    2. 편안 주제 좌석20 ~ 30 °에 C의 온도에서 조용한 방입니다. 피사체가 테스트 중에 무엇을 기대해야하는지 알 수 있도록 간단하고 명확한 방법으로 시험에 관하여 그 지시합니다.
    3. 보드에 피사체의 팔을 놓습니다. 패드의 움직임을 최소화하기 위해 의료 반죽 새끼 손가락. 그냥 못 침대 아래의 테스트 손의 새끼 손가락에 프로브의 위치를​​ 칠판에 황동 막대를 놓습니다. 프로브와 피부 사이의 적절한 접촉을 보장하고 물 수준을 사용하여 수평 상태로 상기 프로브의 위치를​​ 조절한다. 원형 평면 프로브의 가장자리 피부 접촉을 피하십시오.
      주 :이 프로브의 평탄면은 피부 표면에 30g (0.3 N)의 주위에 적용되는 것을 보장한다. 날카로운 모서리가 감소 감지 임계 값으로 이어질 수 있습니다. 황동 막대의 무거운 질량 장치에 주위로부터 방해가 진동의 전달을 방지하고,인가 된 정현파의 손실을 최소화한다.
    4. 테스트에 앞서 참가자를 얻을설치에 익숙 s의. 피사체가 실험 절차 이해되도록 진동을 감지 할 때까지 시험 주파수에 따라 본 둘 쉬운 (레벨 23), 하드 (레벨 7)의 진폭을 변화시킴으로써 진동 자극을 인식한다.
    5. 필요한 경우 시험 프로토콜 착공 (1.2.3 참조) 또는 피사체 쉽게 자극을 감지 할 수 있도록, 상기 선택된 주파수에서 시작 (디폴트) 진폭을 재설정.
    6. 시험 중 제목과 심사관 사이의 상호 작용을 최소화합니다.
    7. 업 - 다운 적응 방법 (22) 두 대안 강제 선택 절차를 사용하는 스크립트를 실행하여 테스트를 시작합니다.
      참고 : 1.3.7-1.3.12의 작업은 프로그램 스크립트에 의해 자동화되어 있습니다.
    8. 각 시험에서, 무작위 시각 모니터 (도 1b)의 화면에 "1"과 "2"로 시험 대상으로 지시되는 두 구간 중 하나의 진동 자극을 관리.피사체가 상기 제 2 시퀀스 또는 간격이 두 버튼 "1"또는 응답 상자 "2"중 하나를 누름으로써 진동 자극을 포함하는 경우 표시하게한다. 자극이 제시 될 때 그 또는 그녀가 확실하지 않은 경우 피사체가 추측을 만들어 보자.
      주 : 강제 선택 기술은 피사체가 진동이 감지되지 않는 경우에도 응답 할 것을 요구한다.
    9. 9 단일 시험에서 최대 6로 구성되어 재판 시리즈에서, 적어도 6 번 연속적으로 하나의 진폭 레벨에서 동일한 진동 자극을 반복합니다. 응답이 모두 올바른 경우, 후속 재판 시리즈의 자극 강도 레벨 (아래 규칙)을 줄일 수 있습니다.
    10. 피사체 시험 시리즈의 오류를 만드는 경우, 적응 방법 (스크립트 논리 연산자)의 판정 규칙에 근거하여 동일한 자극의 강도에 따라 더 많은 실험을 부여. 이하이 잘못 자극이 정확 적어도 5 실험에서 확인되는 경우, 자극 강도를 감소시키고,시도.
    11. 피사체가 재판 시리즈의 2 잘못된 응답을 만드는 경우 자극 수준을 높입니다; 또는 하나 이상의 잘못된 응답과 미만 5 정답.
    12. 반전 포인트로서 자극 강도의 방향의 변경을 문서. 반전 포인트 수에 따라 자극 강도를 변경 : 4 강도 수준으로 세 번째 반전 지점 이전; 2 세기 수준으로 3 번째 반전 지점에서; 1 레벨에 의해 다른 (더 자세한 사항 추가 코드 파일과 그림 (b) 참조).
    13. 피사체가 8 역전의 총 완료 될 때 테스트를 종료합니다.
    14. 지난 6 반전의 자극 진폭 값의 평균을 취함으로써 VDT을 계산합니다.

2. 촉각 공간 시력 테스트

  1. 촉각 예민 큐브 (TAC)를 사용하여 두 대안 강제 선택 격자 방향 테스트에 촉각 시력을 결정합니다. TAC는 각각 포함하는 6면으로 구성되어그 폭 0.75 mm, 1.25 mm, 1.75 mm, 3.0 mm, 4.5 mm, 6.0 mm이다 격자 (바 홈).
  2. 20 ~ 30 ° C와 작업에 지시의 온도에서 조용한 방에서 좌석 주제.
  3. 실험이 진행되는 동안, 차폐 안경을 사용하여 시험 대상을 눈가리개. 손바닥면이 위를 향하게하여 테이블에 지배적 인 손을 놓습니다.
  4. 손가락의 긴 축에 정렬 수평 수직 (평행 한 방향) 또는 (가로 방향) : 각 시험에서,이 격자 방향 중 하나에 손가락 패드에 TAC을 적용합니다. 무작위로 각 시험에 대한 격자 방향의 순서를 선택합니다.
  5. 큐브가 손가락 (233g)에 자사의 전체 무게를 발휘하도록 검지 손가락의 손가락 패드 2 초 동안 TAC의 격자를 적용합니다. 손가락 패드의 TAC를 눌러 마십시오.
  6. 큐브가 손가락에서 제거되기 전에 정렬의 방향을 결정하기 위해 주제를 물어보십시오.
  7. 참가자의 파이의 움직임을 피하십시오nger는 방향에 대한 단서를 제공 할 수 있기 때문이다. 실험자는 손가락이 이동 한 것을 감지하면 재판을 폐기하십시오.
    참고 : 작은 손가락의 움직임이 절차의 실험에 의해 감지되지 않을 수 있음을주의하십시오.
  8. 계단 알고리즘의 두 아래 하나의 업 적응 방법을 사용합니다.
  9. 가장 큰 격자, 6.0 mm로 시작합니다.
  10. 방향 (정답)의 두 올바른 식별 한 후 격자 폭을 줄이십시오.
  11. 다음, 작은 폭을 테스트하고 피사체가 잘못된 응답을하고 반전 포인트로 격자 폭을 기록 할 때까지 스테핑 규칙을 계속합니다.
  12. 폭의 두 방향이 올바르게 다시 결정 때까지 다시 격자 폭을 단계적으로 증가한다.
  13. 열세 역전의 완료 후 테스트를 종료합니다.
  14. 지난 10 역전의 격자 폭의 중간을 취함으로써 촉각 격자 방향 임계 값을 계산합니다.

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결과

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압전 액츄에이터는 피사체의 진동 자극을 제공한다. 진동 자극이 1.8 초 총 지속 기간을 가지며, 첫 번째 또는 두 번째 구간 (도 2A) 동안 시험 중에 한번만 제공된다. 상승과 발병에서 하강 시간과 자극의 오프셋 (offset)는 각각 위치 기능 (1-E -bt) ∙ 진폭 ∙ 사인 (주파수) 및 (e -bt) ∙ 진폭 ∙ 사인 (주파수)에 의해 결정된다 (b)은 9.1로 설정된다. 상승 및 발병 하강 시간은 각각 500 및 600 밀리 초 오프셋 및 시험 주파수 및 진폭 독립적이다. 과 발병 사이의 자극의 지속 기간은 위상 오프셋 700 밀리 초입니다. 점진적 상승 및 하강 부드러운 자극 전달을 보장합니다.

그들은 다른 열차에 의해 매개되기 때문에 진동 검출 임계 자극 주파수에 의존스피 ...

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토론

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VDT을 평가하는 데 사용되는 기술은 기기 사양, 하드웨어 및 테스트 프로토콜에 따라 달라질. 국제 표준화기구는 진동계의 다양한 구성 요소에 대한 권장 사항 (ISO 13091-1 2 26, 27)을 포함한 촉각 임계 값을 분석하고 해석하는 방법 및 절차를 지정 기재된 테스트 시스템은 테스트 주파수 범위에 대한 관련 ISO 권장 사항을 준수 (4-125 Hz에서), 방법, 프로브 크기 (상하 계단 및 강제 선택의 변형) (부드러운 평면과 원형 예리), 실온에서 테스트. 셋업은 프로브의 위치 및 이동을 결정하는 센서를 구비 할 수 있고, 임의적으로 진동 자극을 단리 확고한 서라운드를 구비 할 수있다.

설명 된 장치의 특징은 다음과 거짓말의 장점 : 가용성 및 구성 요소의 쉬운 조립; 조정 가능한 주파수 범위 1-500 Hz에서; 넓은 진폭범위 (5 nm의 90 μm의 변위); 다중 프로브 크기; 진동 자극의 크기와 지속 시간의 프로그래밍; 다양한 적응 방법으...

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공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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위에서 설명한 진동 테스트로 이어지는 연구 개발은 유럽 연구 위원회(ERC, ADG 294678)와 독일 연구 위원회(보조금, SFB665)의 자금 지원을 받았습니다. 이 프로젝트에 귀중한 도움을 주신 Max-Delbrück-Center 기술 및 지원 직원인 Mr. R. Fischer, B. Neumann 및 Mr. M. Pflaume에게 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
피에조 액추에이터Physik Instrument, 독일P-602.1L위치 센서와 모션 증폭기가 통합된 선형 압전 액추에이터에는 전압이 가해질 때 늘어나고 수축하는 피에조 세라믹 재료가 포함되어 있습니다. 압전 액추에이터는 최대 100μm까지 이동합니다. 액추에이터에는 기울어짐이나 측면 오프셋 없이 직선 움직임을 보장하는 굴곡 가이드가 장착되어 있습니다. 변위는 선형이며 보정은 제조업체에서 수행하고 확인합니다. 프로브의 축상 이동을 현미경으로 확인하는 것이 좋습니다. 제조업체에 따르면 자극 진폭은 1000Hz의 진동 주파수에서 20% 미만으로 감쇠됩니다. 이는 힘 또는 변위 측정 장치(예: Kleindiek의 힘 변환기)를 사용하여 확인할 수 있습니다.
피에조 증폭기/서보 컨트롤러Physik Instrument, 독일E-665E-665 증폭기/컨트롤러는 센서 위치 피드백(SGS 센서)이 있는 시스템에서 저전압 압전 액추에이터의 변위를 구동하고 제어합니다. 서보 컨트롤러는 폐쇄 루프 작동을 위한 옵션을 제공합니다. 사인파 및 진동 자극을 적용할 때 진폭 신호는 설정된 진폭에서 벗어나 500Hz에서 시작하여 1000Hz에서 최대 20% 감소에 도달합니다.  
LabChart SoftwareADInstruments, USALabChart 7, MLU60/8정신물리학적 테스트 알고리즘의 매크로를 생성, 저장 및 실행할 수 있습니다. 
PowerLabADInstruments, USAPowerLab 4/35 PL3504데이터 수집 하드웨어. LabChart 소프트웨어와 함께 사용됩니다.
황동 바맞춤형바의 무게는 15.5kg입니다. peizoelectric actuator가 황동 막대에 장착될 때 피부 표면에 30g 무게의 힘을 가해야 합니다.
모니터맞춤 제작1차 및 2차 간격을 표시합니다. 모니터는 자극이 나타날 수 있는 시간 간격을 피험자에게 표시합니다.
맞춤 제작된응답 상자주어는 자극이 발생한 간격을 나타냅니다. 
이사회 맞춤 제작상면은 매끄러워야 하며(플라스틱), 하부 표면은 자극 포브로 전달되지 않도록 부유 진동을 방지하기 위해 폼으로 만들어져야 합니다. 
프로브주문 제작: 나사 머리에 부착된 매끄러운 모서리(열가소성 재료)가 있는 평평한 원형 프로브입니다. 나사는 압전 액추에이터의 움직이는 부분에 직접 조일 수 있는 적절한 크기여야 합니다. 프로브의 크기는 선호도에 따라 달라질 수 있습니다. 우리의 경우 직경 8.21mm, 표면적 52.9mm2.
Labchart 스크립트요청 시 보낼 수 있습니다. 보충 코드 파일을 참조하십시오. 
촉각 시력 큐브MedCore큐브는 너비가 0.75, 1.25, 1.75, 3.0, 4.5, 그리고 6.0 mm인 격자(막대와 홈)를 포함하는 6개의 면으로 구성되어 있습니다.
순수한 황동으로 만든

참고문헌

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