Summary
这里，我们目前使用的协议在人类心理物理学方法来确定振动检测阈值和触觉敏锐度。
Protocol
测试方案经至Charité-Universitätsmedizin伦理委员会。
1.振动检测阈值（VDT）
- 设备和测试协议组装 - 预测试
- 根据图1A装配该装置的组件。放置一个表面光滑的板英寸（40厘米×80厘米）上的表。将主板上的黄铜棒。
- 连接压电致动器（振动激励器）到控制器单元。
- 连接响应箱和监视器装置的数据采集系统（见补充代码文件）。
- 数据采集系统连接到计算机（或膝上型计算机），以及压电致动器控制器单元。
- 螺丝定做刺激探针到压电致动器的运动部分（用于探针的细节见材料 ）。
- 安装压电致动器与平衡黄铜条上的探针。
- 测试协议
- 脚本测试协议实现两个间隔强迫选择和转换规则的上下方法。见补充代码文件的脚本的轮廓。
- 构建振动刺激的波形为正弦波，并指定刺激时间，上升和下降的特点。
- 开放式软件（ 如 LabChart）。选择设置>刺激。
- 选择一个自定义波形和配置选项的刺激。创建2个属于每个间隔（STIM1和STIM2）刺激波。
注意：波形STIM1是由3部分组成：4秒的延迟，接着是正弦波1.8秒和1.8秒（无刺激）的延迟。波形STIM 2由三部分组成：4秒的延迟，接着1.8秒（无刺激）的延迟，和通过1.8秒的正弦波。 - 为正弦波形，创建用于频率和幅度新可变参数。 MODIFŸ通过输入以下功能的兴衰正弦波功能。
上升的波形：（1-E -bt）∙幅度∙正弦（频率），B = 9.1
秋季波形：（E -bt）∙幅度∙正弦（频率），B = 9.1 - 在实验室图表的数据面板，创建一套属于振动刺激的35幅强度（或级别）35电压输出。 见表1。
- 设置在测试过程中的宏脚本测试振动频率振动刺激的开始/默认振幅（见补充代码文件部分）。
- 编制和学科培训 - 测试环节
- 通知考试科目有关的测试程序，并让他们签署书面同意书。为了保证匿名性和满足数据保护需求，分配给每个参与者一个号码。
- 座位舒适科目在20-30℃之间一个安静的房间。指导他们关于测试以简单明了的方式，使主体知道在测试期间会发生什么。
- 将板上的受检者手臂。垫小指医疗面团，以尽量减少运动。放置在板上的黄铜棒与探针定位在测试手只是甲床下方的小指。确保探头与皮肤之间的适当接触并调整探针的位置，以利用水位水平位置。避免与圆平头的边缘皮肤接触。
注意：这确保了探头的平坦表面施加大约30克（0.3 N），在皮肤表面。锋利的边缘可能会导致降低检测阈值。在黄铜棒的重质量阻止从周围到设备分心振荡的传输并减少所施加的正弦波的耗散。 - 在测试之前，得到的参与者Ş熟悉了设置。根据不同的测试频率，本既容易（级23）和一个硬（等级7），以通过改变振幅感知振动刺激直到受试者感觉到的振动，以确保所述的实验步骤被理解。
- 如果有必要，重新开始（默认）振幅所选择的频率，使拍摄者很容易发现的刺激时，测试协议开始（参见1.2.3）。
- 尽量减少在测试过程中主体与考官之间的相互作用。
- 通过运行使用两个替代强迫选择过程与上下自适应方法22的脚本开始测试。
注：操作在1.3.7-1.3.12由程序脚本自动化。 - 在每个试验中，即在视觉上指示所述测试受试者为“1”和“2”上的显示器（ 图1B）的屏幕上的两个区间中的一个中随机地管理一个振动刺激。有主题指示如果第一或第二顺序间隔按两个按钮“1”或对响应框“2”一包含在振动刺激。让主体进行推测，如果提出的刺激时，他或她不肯定。
注：强迫选择技术需要即使在不感知的振动受试者响应。 - 在一个试验系列中，它由6至最多9单一试验中，重复相同的振动刺激在一个幅度电平连续的至少六倍。如果回答是正确的，减少对后来的审判系列刺激强度水平（下降规则）。
- 基于自适应方法（在脚本逻辑运算符）的决策规则，授予受更多的试验相同的刺激强度，如果这个问题使得审判一系列错误。降低刺激强度如果刺激是在至少5次试验正确识别，并错误地在不到2试验。
- 加大刺激水平，如果这个问题使得审判系列2不正确的反应;或一个以上的不正确的响应和少于5个的正确反应。
- 记录在刺激强度的方向上的变化，作为换向点。根据反转点编号更改刺激强度：前4强度等级第三反转点;在2强度等级第三反转点; 1级其他（更多细节见补充代码文件和图4B）。
- 结束测试时，完成主题共8逆转。
- 通过采取最后6逆转的刺激振幅值的中值计算的VDT危害。
2.触觉敏锐的空间试验
- 确定与使用触觉敏锐立方（TAC）两替代被迫选择光栅定位测试触觉敏锐度。交谘会由6个面各含光栅（巴和凹槽），其宽度为0.75毫米，1.25毫米，1.75毫米，3.0毫米，4.5毫米，和6.0毫米。
- 座椅主体在温度20-30℃，并指示在任务间安静的房间。
- 在实验期间，眼罩使用屏蔽眼镜的测试对象。将优势手与手掌面朝上的表。
- 对准手指的长轴垂直（平行方向）或水平（横方向）：在每个试验中，两个光栅方向之一申请交到手指垫。随机选择每次试验光栅方向的顺序。
- 应用TAC的光栅2秒至食指的指垫，以使立方体施加在手指（231 G）其全部重量。避免按下TAC的指垫。
- 询问受试者以确定对准的取向的立方体从他们的手指移除。
- 避免参与者的网络运动手指，因为它可能提供一个球杆的方向。丢弃试用如果实验者感测手指已经移动。
注意：要注意的是小手指的动作可能不是由于该过程实验者来检测。 - 采用在楼梯算法两向下和一个向上自适应方法。
- 先从最大的光栅，6.0毫米。
- 经过两次正确识别方向（正确反应）的降低光栅宽度。
- 测试下，较小的宽度和步进规则继续下去，直到这个问题做了不正确的响应，并记录光栅宽度为反转点。
- 再次增加光栅宽度逐步直到宽度的两个方向被再次正确地确定。
- 完十三逆转完成后测试。
- 通过采取最后10反向的光栅宽度的中值计算触觉光栅取向的阈值。
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Representative Results
压电致动器提供振动刺激受试者。振动刺激有1.8秒的总的持续时间和所述第一或第二时间间隔（ 图2A）在试用期间呈现一次。上升，并在发病下降时间和刺激的偏移是由功能（1-E -bt）∙振幅∙正弦（频率），和（e -bt）∙振幅∙正弦（频率），分别，其中确定b设定在9.1。上升，并在发病下降时间和偏移是500和600毫秒，分别和独立于测试频率和幅度的。其发作和之间的刺激的持续时间偏移相是700毫秒。逐渐兴衰确保平稳刺激交付。
振动检测阈值是依赖于刺激频率，因为它们是由不同蟾酥介RY受体。根据人类心理物理调谐曲线，阈值位于之间〜20nm到〜45微米5。因此，一组（从18纳米到45微米范围内）的振动波形35的水平刺激的构造（ 图2B），其幅度值被布置对数（基数为10;刺激的n + 1 = 10 0.1∙刺激n）的 。幅度这个范围被设计为允许在频率范围从1-250赫兹进行测试。起始刺激幅度通常在上面特定的振动频率的测试平均振动检测阈值设置。关于频率调谐曲线以前的意见，从测量的平均检测阈值周围高频300纳米两种心理研究中获得的（> 100赫兹）的刺激，以及3〜微米的较低频率（<40赫兹）5,23,24。
驱动输入电压的关系为th由应变计传感器（SGS）在10和125赫兹测得的压电致动器电子输出位移在图3A和3B中示出。的关系是使用（ 图3C）该组振动强度的线性（相关系数，R 2 = 0.9992）。有在20纳米振幅（ 图3D）的正弦波输入电压和输出位移之间几乎相同的关系。
在图4中，其中在合适的小指振动检测阈值，在125赫兹确定的典型测试会话。阈值搜索，使用的刺激的是幅度高于23级（676纳米位移）的门槛开始。实验期间由多个系列单审判的。一系列包含在一个振动刺激级别应用多达9个单独审判的。在stimulu的下降S IN一般强度（水平）要求至少6个连续的正确反应（ 图4A）。在刺激强度方向的变化，标志着试系列轨道的逆转点，至少需要两个不正确的反应。在刺激强度的变化幅度取决于反转数。快速搜索的阈值时，刺激强度是在4个级别的步骤改变时反转的数目是小于3，接着在第3次反转（上方向）2的水平。否则，该刺激强度中的1级的步骤改变为微细确定阈值（ 图4B）。被检者的阈值可通过换算最后6折返点的中值刺激强度计算;在这种情况下，401纳米。经变换规则上下过程收敛于阈值在该响应的75％是正确的。这是计算基于领先于下跌规则中使用以下的响应序列式：P 6 + 6P 6（1-P）+ 6P 6（1-P）2，其中p是一个正确的响应的概率。
在同一主题，触觉立方体有人做过实验（ 图5）。每次试验包括2个刺激。两降一式规则采用后13分逆转实验结束。触觉视力阈为1.6mm是过去10反转点的光栅宽度的中间值。 2.关闭和1向上的楼梯规则收敛于71％的正确的阈值25。
图1：示出了用于振动触觉阈值（A）和典型的测试试验（B）的测量安装组件示意图。e.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
图 2： 振动刺激的物理特性 （A）的刺激波形的示意图演示。 （B）的振幅振动刺激（x轴具有对数刻度）。黑色圆圈表示在125赫兹振动测试起始振幅强度。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：在10Hz和125H驱动输入电压到压电致动器的输出位移的关系ž正弦输入波形（A和B），通过了SGS的集成传感器测量。 （C）在125赫兹驱动输入电压和测得的输出位移对于该组测试中使用的振动强度级之间的关系。 （D）几乎相同的输入电压在最低强度等级，20纳米输出位移。 请点击此处查看该图的放大版本。
图4：显示在两个间隔强迫选择振动检测试验的受试者的典型表现 （ 一 ）主体的反应（正确的，空心圆;不正确，黑色圆圈）被暗算试用序列号。 （B）中的图depic婷认为，通过改变两种步长和方向（ 即 ，增加和减少级）在一组试验用于阈值搜索自适应方法。 请点击此处查看该图的放大版本。
图5：在两个替代强迫选择算法使用触觉敏锐立方光栅定位任务的主题的典型表现主体的反应（正确的，空心圆;不正确，黑色圆圈）被暗算审判数。 请点击此处查看该图的放大版本。
| Stimul我们水平和刺激幅度相应的输出电压（V）的 | |||||
| （1 V = 10微米的位移振幅） | |||||
| 1 | 0.00179 | 13 | 0.02839 | 25 | 0.45 |
| 2 | 0.00226 | 14 | 0.03574 | 26 | 0.56652 |
| 3 | 0.00284 | 15 | 0.045 | 27 | 0.7132 |
| 4 | 0.00357 | 16 | 0.05665 | 28 | 0.89787 |
| 五 | 0.0045 | 17 | 0.07132 | 29 | 1.13035 |
| 6 | 0.00567 | 18 | 0.08979 | 三十 | 1.42302 |
| 7 | 0.00713 | 19 | 0.11303 | 31 | |
| 8 | 0.00898 | 20 | 0.1423 | 32 | 2.25534 |
| 9 | 0.0113 | 21 | 0.17915 | 33 | 2.83931 |
| 10 | 0.01423 | 22 | 0.22553 | 34 | 3.57448 |
| 11 | 0.01791 | 23 | 0.28393 | 35 | 4.5 |
| 12 | 0.02255 | 24 | 0.35745 | ||
表1：刺激水平和刺激幅度相应的输出电压（V）。
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Discussion
用于评估VDT的技术变化，以设备的规格，硬件和测试协议。国际标准化组织指定的方法和程序来分析和解释振动触觉阈值包括一个振动计的各种部件的建议（ISO 13091-1和2 26,27）所描述的测试系统遵守用于测试的频率范围相关的ISO建议（4-125赫兹），方法，探针大小（上下楼梯和强迫选择的变体）（光滑边缘平坦和圆形），并在室温下测试。设置可配备一个传感器确定所述探头的位置和位移并且任选可以配备一个牢固环绕隔离振动刺激。
所描述的装置在于以下特点的好处：可用性和组件组装方便;可调频率范围1-500赫兹;波幅甚广范围（5纳米-90微米的位移）;多个探头尺寸;振动刺激大小和持续时间的可编程性;和多功能性的各种自适应方法测试心理协议。尽管便携式系统提供28中，设置是运输和各种设置，如学校，科研院所，医院已被使用。研究中心，但是，应该有一个装备精良的车间制造额外的工具和所需的实验装置的设备。有商业组装好并准备使用的系统如案例IV或梅多克，但是这些系统被配置为只提供一组有限的刺激。相比之下，我们的系统可以被用来实现一个非常广泛的刺激方案是仅由所使用的压电元件的规格的限制。由于黄铜棒的大小，它是不可行的测试其他区域比手指和脚趾。我们的设备不使用环绕的刺激限制所测试的皮肤区域和它很可能是一个更宽的区域比实际皮肤探测接触更大的刺激。最后，该过程需要来自的时间更长的时间，平均15分钟的主题的关注。通常情况下，前3逆转在强度水平变化较大（4级）以及一次完成的门槛很可能位于此范围内的4强度等级范围内。随着测试的进展，精确定的门槛而成。有其中可以实施和集成在别处29所述的自适应过程其它的停止标准。
可能会影响振动检测阈值几个器件参数是在设置17调整。这些包括设备参数，诸如探针皮肤的接触面积，利用环绕的环绕探针来限制刺激，所选择的振动频率，手腕姿势，和心理测试算法的面积。心理ŧ掺入的限制的方法和阶梯方法十分有趣的算法已被用于确定对VDT并没有共识利于一个特定的方法。振动触觉阈值不依赖于使用20上的心理测试方法而变化。 VDT的估计125赫兹在使用的心理协议概述自适应方法50至600纳米范围内都取得并可靠在其他研究与5,23 VDT一致。此外;针对不同的自适应方法脚本可以很容易地开发和集成，以执行振动检测阈值25的心理测试。我们的振动阈值的确定中所述的自适应过程保证了对于每个刺激强度水平被检者的正确的响应是超过76％的正确为了向下移动的刺激强度楼梯22。由于只有2个可能的响应，一系列幸运的猜测可能会错误地改变日reshold测量，尤其是在低刺激水平。出于这个原因，我们增加的变形这是一系列在每个振动水平的试验，以最小化此类错误。科目谁审判系列赛中表现没有一致性 - 反转点之间超过4级的偏差 - 通常排除在研究。皮肤的探针接触，以及如何同时刺激皮肤探针的行为是对触觉30,31任何心理实验非常重要。压电致动器配备有一个紧凑的应变仪传感器（SGS）具有相对高的带宽（高达3千赫）中，用良好的重复性（标称位移的0.1％）非常良好的分辨率。因此，压电器件具有高可靠性的特点特别是当它即使在高静负载来细缩进。该议案是直的，因为我们使用的压电（PICMA堆栈压电线性驱动器）被嵌入到一个指南，这确保没有横向莫蒂上。此外，伺服控制器可以自动地补偿变化的负载或力。
我们这里所描述的触觉敏锐的评估依赖于触觉刺激的人工传递。该测试需要的刺激仔细应用以产生皮肤和无剪切扭曲可能提供线索给受试者的垂直变形。我们选择了触觉空间视力和振动触觉阈值测定稍有不同的过程。我们没有选择最初使用一个较大的步长变化使用的TAC，因为它配备有用于光栅宽度（6级）几级，这些都是不恒定的或固定的大小，但是从较大向较小的步长变化而变化。在第一3级之间的光栅宽度的大小的变化为1.5毫米，第3 次和第 4 次级1.25毫米之间，和第 4 次到6 次为0.5mm。主题在光栅定位任务性能affec泰德由引起的触觉刺激的压痕深度，所施加的力，和手指的手指32,33的大小。还有其它替代触觉视力立方体：JVP圆顶，并且两个点辨别任务。该JVP圆顶其他选择触觉立方体。的优点是，JVP圆顶具有8光栅宽度范围为0.35毫米至3.0mm以下。 JVP圆顶可以用来评估舌头和嘴唇8的触觉空间敏度，而2点辨别任务不依赖于识别光栅取向，而不是对触觉空间视力34的有效措施。最近，随着人工测试有关的困难已经通过引入应用于一个强迫选择范例，以确定光栅取向35触觉阈自动化触觉视力系统的改进。
获得我们所描述的震动触觉和触觉的敏锐度阈值的方法已被用于筛选触摸相关性状3,7,9的个体。在我们小组进行的一项研究中，我们发现触摸特征是遗传的，以及某些遗传性病变引起的听力损伤也影响了触控灵敏度7。此外，触摸敏感性可以不同的实验条件下进行评估，例如水诱导的指尖起皱9。这将是重要的，以使患者的可能的功能改变中参与调节机械感受器敏感度3,7-基因的突变VDT危害和触觉敏锐的定量测量。事实上，出现了直接参与像Piezo2和STOML3 1,13,14,36,37这个过程中基因的鉴定近期激增，并在此领域迅速取得进展是一定要确定调节触摸新基因。遗传变异在这种“触摸”基因的影响将在基因型患者进行测试，最好采用定量方法心理升IKE这里描述。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Piezo actuator | Physik Instrument, Germany | P-602.1L | The linear piezoelectric actuator, with integrated position sensor and motion amplifier, contains a piezoceramic material that elongates and contracts when voltage is applied. The piezoelectric actuator travels up to100 µm. The actuator is equipped with a flexure guide that ensures straight motion without tilting or lateral offset. The displacement is linear and calibration is done and checked by the manufacturer. It is recommended that on-axis movement of the probe be checked under the microscope. According to the manufacturer, the stimulus amplitude dampens by less than 20% at oscillating frequencies of 1000 Hz. This can be checked by using a force or displacement measuring device (e.g. force transducer from Kleindiek). |
| Piezo Amplifier/Servo Controller | Physik Instrument, Germany | E-665 | E-665 amplifier/controller drives and controls the displacement of a low-voltage piezoelectric actuator in a system with sensor position feedback (SGS sensors). The servo-controller provides the option for closed loop operation. When applying sinusoidal and oscillating stimuli the amplitude signal deviates from the set amplitude starting from 500 Hz and reaches a maximum decrease of 20% at 1000Hz. |
| LabChart Software | ADInstruments, USA | LabChart 7, MLU60/8 | Can create, store and run macro of the psychophysical testing algorithm. |
| PowerLab | ADInstruments, USA | PowerLab 4/35 PL3504 | Data Acquisition Hardware. Used with LabChart software. |
| Brass bar | Custom-made | Bar made of pure brass, weighs 15.5 kg. When the peizoelectric actuator is mounted on the brass bar it should exert a force of 30 g weight on skin surface. | |
| Monitor | Custom-made | To mark the 1st and the 2nd interval. The monitor indicates to the subject the time intervals during which the stimulus may be presented. | |
| Response box | Custom-made | The subject indicates the interval at which stimulus occurred. | |
| Board | Custom-made | Upper surface should be smooth (Plastic), lower surface made of foam to prevent stray vibration ot be transmitted to the stimulating pobe. | |
| Probe | Custom-made | A flat circular probe with smoothed edges (thermoplastic material) attached to a screw head. The screw should be of appropriate size to be tightened directly to the moving part of piezoelectric actuator. Size of the probe can be according to preference; in our case, diameter 8.21 mm and surface area 52.9 mm2. | |
| Labchart Script | Can be sent on request. See supplementary code file. | ||
| Tactile Acuity Cube | MedCore | The cube is comprised of 6 sides each containing a grating (bar and groove) whose widths are 0.75, 1.25, 1.75, 3.0, 4.5, and 6.0 mm. |
References
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