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Artigo de método

Medição do limiar de detecção de vibração e tátil Spatial Acuity em Seres Humanos

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DOI:

10.3791/52966

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1 de setembro 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

Neste artigo

Resumo

Aqui, apresentamos os protocolos para determinar os limiares de detecção de vibração e acuidade tátil usando métodos psicofísicos no homem.

Resumo

Testes que permitem a determinação precisa dos limiares psicofísicos para a orientação da vibração e da grade fornecem informações valiosas sobre a função mecanosensorial que são relevantes para o diagnóstico clínico, bem como para a pesquisa básica. Aqui, descrevemos dois testes psicofísicos projetados para determinar o limiar de detecção de vibração (sistema automatizado) e a acuidade espacial tátil (dispositivo portátil). Ambos os procedimentos implementam um paradigma experimental de escolha forçada de dois intervalos e um paradigma experimental de regra transformada para cima e para baixo. Esses testes têm sido usados para obter perfis mecanossensoriais para indivíduos de coortes humanas distintas, como gêmeos ou pessoas com surdez neurossensorial.

Introdução

Receptores mecanossensoriais especializados na pele medeiam a percepção de vibração e orientação de grade. Cada tipo de receptor mecanossensorial é ajustado para detectar características distintas de estímulos táteis1,2. Essa propriedade fornece a base psicofísica para uma avaliação diferenciada da função mecanossensorial por meio de testes que fornecem oscilações senoidais simples (vibração) ou grades finas. Sabe-se que os limiares psicofísicos para a percepção da vibração são menores para a vibração de alta do que para a baixa frequência3,4. Dois tipos de mecanorreceptores de adaptação rápida associados aos corpúsculos de Meissner e Pacinianos detectam principalmente estímulos de vibração de baixa (10-40 Hz) e alta (100-200 Hz), respectivamente5. Acredita-se que os limiares psicofísicos para a percepção da vibração dependam em grande parte da ativação desses dois conjuntos de mecanorreceptores em suas melhores frequências6,7. A acuidade espacial tátil é testada pela tarefa de orientação da grade para determinar a grade mais fina cuja orientação pode ser discriminada por um sujeito 7-9. Os aferentes do complexo célula-neurite de Merkel são essenciais para detectar a orientação da grade8,10. Curiosamente, houve um progresso recente considerável em nossa compreensão da base molecular de como os mecanorreceptores detectam estímulos táteis extremamente pequenos11. Canais iônicos mecanossensíveis como Piezo2 e moduladores como STOML3 têm sido diretamente implicados na detecção de estímulos táteis finos em receptores de toque12-15. Já existem pacientes humanos identificados com mutações que alteram a função no gene Piezo2 e será importante testar se esses pacientes apresentam déficits de toque16.

A determinação do limiar vibrotátil depende da entrega de um estímulo vibratório à pele. Os limites de detecção de vibração variam de acordo com a frequência de vibração. As curvas de frequência de vibração para limiar de detecção foram descritas por von Bekesey, Verillo e Bolanowski, entre muitos outros, das décadas de 1930 a 19905,17. Os dispositivos nos primeiros dias eram baseados em agitadores e amplificadores de potência e vários dispositivos foram comercializados e há muita variação quanto à escolha do estimulador (frequência de teste), o diâmetro da sonda em contato com a pele, o uso de um surround para limitar a estimulação a uma área da pele, e o protocolo de teste que determina o limite (consulte as referências a seguir para obter informações mais detalhadas sobre o dispositivo e os recursos de teste)18-20. A maioria dos dispositivos geralmente testa um local; No entanto, existem novos dispositivos que utilizam estimuladores de deslocamento vertical equipados com 2 sondas para fornecer estímulos vibratórios com faixas de separação que podem ser variadas21. Além disso, os limiares de detecção são medidos com base na frequência de vibração ou discriminação de intensidade com estimulação contínua; ou com estímulos de vibração intermitente com ou sem estímulo mascarador. Portanto, recomendamos que o leitor esteja ciente da infinidade de desenvolvimentos neste campo.

Aqui, descrevemos os componentes do dispositivo e um guia passo a passo sobre como realizar testes psicofísicos para estimar o limiar de detecção de vibração em seres humanos. Em seguida, mostramos como avaliar a acuidade tátil manualmente usando o cubo de acuidade tátil. Usamos um paradigma de escolha forçada de dois intervalos: o estímulo é sempre apresentado durante um dos dois intervalos e o sujeito deve indicar qual intervalo tem o estímulo de vibração. Empregamos uma regra transformada para cima e para baixo como o método adaptativo que executa uma pesquisa de limite alterando a intensidade do estímulo com base no desempenho durante o teste. Ambos os protocolos psicofísicos podem ser usados pelos investigadores como uma ferramenta de triagem para avaliação de alterações na sensibilidade ao toque.

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Protocolo

O protocolo de teste foi aprovado pelo Comitê de Ética em Charité-Universitätsmedizin.

1. limiar de detecção de vibração (VDT)

  1. Dispositivo e Assembleia Protocolo de Teste - O pré-teste
    1. Montar os componentes do dispositivo de acordo com a Figura 1A. Coloque uma placa de superfície lisa (40 cm x 80 cm) sobre uma mesa. Coloque a barra de latão na placa.
    2. Ligar o actuador piezoeléctrico (vibração estimulador) para a unidade controladora.
    3. Conectar-se a caixa de resposta e o dispositivo de monitor para o sistema de aquisição de dados (ver arquivo de código complementar).
    4. Ligue o sistema de aquisição de dados para um computador (ou laptop), e piezo unidade controladora atuador.
    5. Dane-se o feito por encomenda estimular sonda para a parte móvel do atuador piezoelétrico (para fins específicos da sonda veja Materiais).
    6. Monte o atuador piezoelétrico com a sonda na barra de latão equilibrada.
  2. Protocolo de teste
    1. Script um protocolo de teste que implementa a escolha forçada de dois intervalo e transformou-regra para cima e para baixo método. Veja arquivo de código suplementar para um esboço do script.
    2. Construir a forma de onda do estímulo de vibração como uma onda sinusoidal e especificar a duração do estímulo, subir e descer características.
      1. Software aberto (por exemplo, LabChart). Seleccione Configuração> Estimulador.
      2. Escolha uma forma de onda personalizado e configurar as opções do estimulador. Criar 2 formas de onda de estímulo pertencentes a cada intervalo (STIM1 e stim2).
        NOTA: O STIM1 forma de onda é composto por 3 partes: um atraso de 4 seg, seguido por uma onda sinusoidal de 1,8 seg, e um atraso de 1,8 segundos (sem estímulo). A forma de onda STIM 2 é composto por 3 partes: um atraso de 4 seg, seguido de um atraso de 1,8 segundos (estímulo não), e por uma onda sinusoidal de 1,8 seg.
      3. Para a forma de onda sinusoidal, criar novos parâmetros variáveis ​​para frequência e amplitude. Modify a função de onda sinusoidal, introduzindo as seguintes funções para a ascensão e queda.
        Subir de forma de onda: (1-e BT) ∙ Amplitude ∙ sine (frequência), b = 9,1
        Queda de forma de onda: (e BT) ∙ Amplitude ∙ sine (frequência), b = 9,1
      4. No painel de dados do gráfico de laboratório, criar o conjunto de 35 saídas de tensão que pertencem aos 35 intensidades de amplitude (ou níveis) do estímulo vibração. Ver Tabela 1.
    3. Definir a amplitude de partida / default do estímulo para a frequência de vibração testado no script de macro para o procedimento de teste de vibração (ver secção arquivo de código complementar).
  3. Preparação e Formação de Sujeitos - sessão de testes
    1. Informar os participantes nos ensaios sobre o procedimento de teste e tê-los assinar um formulário de consentimento por escrito. Para garantir o anonimato e cumprir os requisitos de protecção de dados, atribuir a cada participante um número.
    2. Acomodar os sujeitos confortavelmenteem uma sala silenciosa, a temperaturas entre 20-30 ° C. Instruí-los sobre o teste de uma forma simples e clara para que o sujeito sabe o que esperar durante o teste.
    3. Coloque o braço do sujeito no quadro. Pad o dedo mindinho com massa de pão médica para minimizar o movimento. Coloque a barra de latão na placa para posicionar a sonda no dedo mínimo da mão testado logo abaixo do leito ungueal. Assegurar um contacto adequado entre a sonda e a pele e ajustar a posição da sonda para a posição horizontal através do nível da água. Evitar o contacto da pele com as bordas da sonda circular plana.
      Nota: Isto assegura que a superfície plana da sonda aplica-se cerca de 30 g (0,3 N) para a superfície da pele. bordas afiadas pode levar a limiares de detecção de diminuição. A massa pesada da barra de latão impede a transmissão de oscilações distrair o ambiente para o dispositivo e minimiza a dissipação da onda senoidal aplicada.
    4. Antes do teste, obter o participantes familiarizado com a configuração. Dependendo da frequência de teste, presente tanto um fácil (nível 23) e um disco (nível 7) ter uma percepção do estímulo vibração através da variação da amplitude até que o sujeito percebe uma vibração para assegurar que o procedimento experimental é compreendido.
    5. Se necessário, repor a amplitude de início (padrão) na frequência selecionada para que o assunto pode facilmente detectar o estímulo quando o protocolo de teste começa (ver 1.2.3).
    6. Minimizar as interações entre sujeito e examinador durante o teste.
    7. Iniciar o teste, executando o script que usa a dois alternativa procedimento de escolha forçada com o método adaptativo de cima para baixo 22.
      NOTA: As ações em 1.3.7-1.3.12 são automatizados pelo script programa.
    8. Em cada ensaio, administrar aleatoriamente um estímulo vibração durante um dos dois intervalos que são indicados visualmente ao sujeito de teste como "1" e "2" no ecrã do monitor (Figura 1B).Tenha o assunto indicar se o primeiro ou segundo intervalos sequenciais continha o estímulo de vibração pressionando um dos dois botões "1" ou "2" na caixa de resposta. Deixe o sujeito fazer uma suposição se ele ou ela não é certo quando o estímulo é apresentado.
      NOTA: A técnica da escolha forçada exige que o sujeito responde mesmo quando a vibração não é percebida.
    9. Em uma série de teste, que consiste em seis para um máximo de 9 ensaios individuais, repetir o mesmo estímulo vibração em um nível de amplitude, pelo menos, seis vezes consecutivamente. Se as respostas estão todos corretos, reduzir o nível de estímulo intensidade (baixo regra) para a série posterior julgamento.
    10. Com base na regra de decisão do método adaptativo (operadores lógicos no script), à pessoa mais ensaios para a mesma intensidade de estímulo se o sujeito comete erros em uma série julgamento. Reduzir a intensidade do estímulo se o estímulo é correctamente identificado em pelo menos 5 ensaios, e incorretamente em menos de 2ensaios.
    11. Aumentar o nível de estímulo se o assunto faz com que os 2 respostas incorretas em uma série julgamento; ou, mais do que uma resposta incorreta e menos de 5 acertos.
    12. Documentar a mudança da direcção da intensidade de estímulo, como ponto de inversão. Alterar a intensidade do estímulo de acordo com número do ponto de reversão: antes do terceiro ponto de reversão por 4 níveis de intensidade; no ponto de reversão 3 rd por 2 níveis de intensidade; outra em 1 nível (para mais detalhes veja arquivo de código suplementar e Figura 4B).
    13. Termine o teste quando o assunto conclui um total de 8 reversões.
    14. Calcular o VDT tomando a média do valor de estimulo amplitude dos últimos 6 inversões.

2. Tactile Spatial teste de acuidade

  1. Determinar a acuidade tátil com um teste de orientação de duas alternativas de escolha forçada grade usando o Tactile Acuity Cube (TAC). A TAC é composto de 6 lados, cada um contendouma grade (bar e groove), cuja largura é 0,75 mm, 1,25 mm, 1,75 mm, 3,0 mm, 4,5 mm e 6,0 mm.
  2. assuntos de assento em uma sala silenciosa, a temperaturas entre 20-30 ° C e instruir a tarefa.
  3. Durante o experimento, vendar os assuntos de teste usando óculos blindados. Coloque a mão dominante em uma tabela com a superfície palmar voltada para cima.
  4. Em cada ensaio, aplicar o TAC para a plataforma de dedo em uma das duas orientações ralar: vertical (direcção paralela) ou horizontalmente (sentido transversal) alinhados ao longo do eixo do dedo. Aleatoriamente escolher a ordem da orientação de grade para cada ensaio.
  5. Aplicar os gradeamentos de TAC para o 2 seg para a almofada de dedo do dedo indicador de modo a que o cubo exerce todo o seu peso no dedo (233 g). Evite pressionar o CTA sobre a almofada de dedo.
  6. Peça os indivíduos para determinar a orientação do alinhamento do cubo antes é removido do seu dedo.
  7. Evitar o movimento do fi do participantededo porque poderia fornecer uma sugestão para a orientação. Descartar o julgamento, se o experimentador detecta que o dedo se moveu.
    NOTA: Tenha em atenção que os movimentos dos dedos pequenos pode não ser detectado pelo experimentador no procedimento.
  8. Empregar um dois-para baixo e one-up método adaptativo no algoritmo de escada.
  9. Comece com o maior ralar, 6,0 mm.
  10. Diminuir a largura ralar depois de dois correta identificação da orientação (resposta correta).
  11. Testar a próxima largura, menor e continuar com a regra do piso até que o sujeito faz uma resposta incorrecta e documentar a largura ralar como um ponto de reversão.
  12. Aumentar a largura gradual grade novamente até que as duas orientações de largura são determinados correctamente novamente.
  13. Terminar o teste após a conclusão de treze reversões.
  14. Calcular o limiar táctil orientação grade tomando a média das larguras de grelha dos últimos 10 inversões.

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Resultados

O atuador piezoelétrico fornece o estímulo de vibração para o assunto. O estímulo de vibração tem uma duração total de 1,8 segundos e é apresentada apenas uma vez durante um ensaio durante o primeiro ou o segundo intervalo (Figura 2A). A ascensão e queda tempo no início e término do estímulo é determinado pelas funções (1-e BT) ∙ Amplitude ∙ sine (frequência), e (e BT) ∙ Amplitude ∙ sine (frequência), respectivamente, onde b é fixado em 9,1. A ascen...

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Discussão

As técnicas utilizadas para avaliar VDT variar conforme com as especificações do dispositivo, hardware e protocolos de ensaio. A Organização Internacional de Normalização especifica os métodos e procedimentos para analisar e interpretar os limiares por vibração, incluindo recomendações para os vários componentes de uma vibrômetro (ISO 13091-1 e 2 26,27) O sistema de teste descrito obedece às recomendações ISO relevantes para faixa de frequência de teste (4-125 Hz), método (variante do up-down escadaria e esco...

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

A pesquisa e o desenvolvimento que levaram ao teste de vibração descrito acima foram financiados pelo Conselho Europeu de Pesquisa (ERC, ADG 294678) e pelo Conselho Alemão de Pesquisa (subvenção, SFB665). Agradecemos à equipe técnica e de suporte do Max-Delbrück-Center, Sr. R. Fischer, B. Neumann e Sr. M. Pflaume, que forneceram assistência inestimável no projeto.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Atuador piezoelétricoPhysik Instrument, AlemanhaP-602.1LO atuador piezoelétrico linear, com sensor de posição integrado e amplificador de movimento, contém um material piezocerâmico que se alonga e se contrai quando a tensão é aplicada. O atuador piezoelétrico viaja até 100 ® m. O atuador está equipado com uma guia de flexão que garante movimento reto sem inclinação ou deslocamento lateral. O deslocamento é linear e a calibração é feita e verificada pelo fabricante. Recomenda-se que o movimento no eixo da sonda seja verificado ao microscópio. De acordo com o fabricante, a amplitude do estímulo amortece em menos de 20% em frequências oscilantes de 1000 Hz. Isso pode ser verificado usando um dispositivo de medição de força ou deslocamento (por exemplo, transdutor de força da Kleindiek).
Amplificador Piezo/Servo ControladorPhysik Instrument, AlemanhaE-665O amplificador/controlador E-665 aciona e controla o deslocamento de um atuador piezoelétrico de baixa tensão em um sistema com feedback de posição do sensor (sensores SGS). O servocontrolador oferece a opção de operação em circuito fechado. Ao aplicar estímulos senoidais e oscilantes, o sinal de amplitude se desvia da amplitude definida a partir de 500 Hz e atinge uma diminuição máxima de 20% a 1000Hz.  
Software LabChartADInstruments, EUALabChart 7, MLU60/8Pode criar, armazenar e executar macro do algoritmo de teste psicofísico. 
PowerLabADInstruments, EUAPowerLab 4/35 PL3504Hardware de aquisição de dados. Usado com o software LabChart.
Barra de latãoBarra feita sob medidaem latão puro, pesa 15,5 kg. Quando o atuador peizoelétrico é montado na barra de latão, ele deve exercer uma força de 30 g de peso na superfície da pele.
Monitorfeito sob medidaPara marcar o 1º e o 2º intervalo. O monitor indica ao sujeito os intervalos de tempo durante os quais o estímulo pode ser apresentado.
Caixade resposta PersonalizadaO sujeito indica o intervalo em que o estímulo ocorreu. 
Diretoria feita sob medidadeve ser lisa (Plástico), a superfície inferior feita de espuma para evitar que a vibração dispersa seja transmitida para o pobe estimulante. 
Sondafeita sob medidaUma sonda circular plana com bordas suavizadas (material termoplástico) presa a uma cabeça de parafuso. O parafuso deve ser de tamanho apropriado para ser apertado diretamente na parte móvel do atuador piezoelétrico. O tamanho da sonda pode ser de acordo com a preferência; no nosso caso, diâmetro 8,21 mm e área de superfície 52,9 mm2.
Labchart ScriptPode ser enviado mediante solicitação. Consulte o arquivo de código suplementar. 
Acuidade Tátil CuboMedCoreO cubo é composto por 6 lados, cada um contendo uma grade (barra e ranhura) cujas larguras são 0,75, 1,25, 1,75, 3,0, 4,5 e 6,0 mm.
A superfície superior

Referências

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Reimpressões e permissões

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