Summary
ここでは、プロトコルは、ヒトにおける心理物理学的方法を用いて、振動検出閾値と触覚視力を決定するために提示します。
Protocol
試験プロトコルはシャリテ-Universitätsmedizin倫理委員会によって承認されました。
1.振動検出しきい値（VDT）
- デバイスとテストプロトコルアセンブリ - 事前テスト
- 図1（a）に係る装置の構成部品を組み立てます。テーブルの上に滑らかな表面のボード（40センチメートル×80センチ）を配置します。ボード上の黄銅棒を置きます。
- コントローラ部に圧電アクチュエータ（振動刺激）を接続します。
- 応答ボックスとモニタ装置は、データ収集システム（補足コードファイルを参照してください）に接続します。
- コンピュータ（またはラップトップ）にデータ収集システムを接続し、アクチュエータ制御ユニットをピエゾします。
- （プローブの詳細はマテリアルを参照）の圧電アクチュエータの可動部にカスタムメイドの刺激プローブをねじ込みます。
- バランスのとれた黄銅棒上のプローブを用いて圧電アクチュエータをマウントします。
- 試験プロトコル
- スクリプトの2区間強制選択の形質転換ルールを上に実装し、方法ダウン試験プロトコル。スクリプトの概要のための補足コードファイルを参照してください。
- 特性を正弦波として振動刺激の波形を構築し、刺激持続時間を指定し、立ち上がりおよび立ち下がり。
- オープンソフトウェア（ 例えば 、LabChart）。セットアップ>刺激を選択します。
- カスタム波形を選択して、刺激のオプションを設定します。各区間（STIM1及びSTIM2）に関連する2刺激波形を作成します。
注：1.8秒の正弦波に続いて4秒の遅延、および1.8秒（無刺激）の遅延：波形STIM1は、3つの部分から構成されています。波形stimの2は3つの部分から構成されている：4秒の遅延は、1.8秒（無刺激）の遅延に続いて、1.8秒の正弦波で。 - 正弦波形の場合は、周波数と振幅のための新しい変数パラメータを作成。 MODIFyの立ち上がりと立ち下がりに以下の機能を入力することにより、正弦波関数。
（1-E -bt）∙振幅∙正弦（周波数）、B = 9.1：波形を上昇
（E -bt）∙振幅∙正弦（周波数）、B = 9.1：波形秋 - ラボチャートのデータパネルで、振動刺激の35振幅強度（またはレベル）に関連する35の電圧出力のセットを作成します。 表1を参照してください。
- （補足コードファイルのセクションを参照）試験手順のためのマクロスクリプトでテストした振動周波数に対する振動刺激の開始/デフォルトの振幅を設定します。
- 調製と被験者のトレーニング - テストセッション
- 試験手順について被験者に通知し、それらは、書面による同意書に署名しています。匿名性を確保し、データ保護の要件を満たすために、各参加者に番号を割り当てます。
- 快適に被験者を着座20〜30℃の間の温度で、静かな部屋インチ被験者が試験中に期待することを知っているように、シンプルかつ明確な方法でテストについてのそれらに指示します。
- ボード上の被験者の腕を置きます。パッドの動きを最小限に抑えるために、医療生地と小指。ちょうど爪床の下にテストした手の小指にプローブを配置するために、ボード上の黄銅棒を置きます。プローブと皮膚との間の適切な接触を確保し、水位を使用して水平位置にプローブの位置を調整します。円形フラットプローブの縁で皮膚の接触を避けます。
注：これは、プローブの平らな面が皮膚表面に30グラム（0.3 N）の周りに適用されることを保証します。シャープエッジが低下検出しきい値につながることができます。黄銅棒の重い質量は、デバイスに周囲から邪魔振動の伝達を防止し、適用される正弦波の損失を最小限に抑えることができます。 - 試験の前に、参加者を得ますセットアップに慣れsです。被験者は実験手順が理解されていることを確認するために、振動を感知するまで試験周波数に依存して、本両方の簡単（レベル23）とハード（レベル7）は、振幅を変化させることにより、振動刺激を知覚します。
- 必要に応じて試験プロトコルの開始時に被験者が容易に刺激を検出できるように、（1.2.3を参照）選択された周波数で開始します（デフォルト）の振幅をリセットします。
- 試験中に対象と審査官の間の相互作用を最小限に抑えます。
- アップダウン適応法22で2-の代替強制選択手順を使用するスクリプトを実行してテストを開始します。
注：1.3.7-1.3.12中のアクションは、プログラムスクリプトによって自動化されています。 - 各試験では、無作為に視覚的にモニター（ 図1B）の画面上の「1」と「2」として被験者に示されている2つの間隔の間に振動刺激を管理します。被験体は、第1又は第2のシーケンシャルな間隔は、2つのボタン「1」または応答ボックスに「2」のいずれかを押すことにより、振動刺激が含まれている場合を示しています。刺激が提示されたとき、彼または彼女がわからない場合には、被験者が推測してみましょう。
注：強制選択技術は、被験者が振動を知覚されない場合であっても応答することが必要です。 - 9単一試行の最大6で構成されて裁判シリーズでは、少なくとも6回連続して1つの振幅レベルで同じ振動刺激を繰り返します。応答がすべて正しい場合は、その後の裁判シリーズの刺激強度レベル（ダウンルール）を低減。
- 被験者が裁判シリーズにエラーをした場合、適応方法（スクリプト内の論理演算子）の決定ルールに基づいて、同じ刺激強度に対象をより多くの試練を付与します。 2未満で正しく刺激が正しく、少なくとも5試験で識別された場合に刺激強度を低減し、トライアル。
- 被験者が裁判シリーズの2間違った回答をした場合、刺激レベルを上げ、または、複数の不正な応答と5未満の正解。
- 反転点と刺激強度の方向の変化を文書化します。反転ポイント数に応じて刺激強度を変更：4の強度レベルによって、第三の反転点の前に。 3 番目の反転点で2強度レベルによって、 1レベルによって、他（詳細は補足コードファイルと図4Bを参照してください）。
- 被験者は8逆転の合計を完了したときにテストを終了します。
- 最後の6逆転の刺激振幅値の中央値を取ることによって、VDTを計算します。
2.触覚空間視力テスト
- 触覚視力キューブ（TAC）を使用して、2-の代替強制選択格子方位テストと触覚視力を決定します。 TACは、それぞれが含有する6面で構成されていますその幅が0.75ミリメートル、1.25ミリメートル、1.75ミリメートル、3.0ミリメートル、4.5ミリメートル、および6.0ミリメートルである回折格子（バーと溝）。
- 20〜30°Cとタスクの指示の間の温度で、静かな部屋でシート科目。
- 実験中、シールド眼鏡を使用して、被験者を目隠し。掌面を上に向けてテーブルの上に利き手を置きます。
- 各試行では、2格子の向きの一方に指パッドにTACを適用：垂直（平行な方向）または水平方向（横方向）の指の長軸に整列されます。ランダムに各試行のための格子の向きの順序を選択します。
- キューブは、指（233グラム）に、その全体の重量を発揮するように人差し指の指腹に2秒間TACの格子を適用します。指腹にTACを押すことは避けてください。
- キューブは、その指から削除される前に整列の向きを決定するために被験者を確認して下さい。
- 参加者のf iの動きを避けますそれは向きに手がかりを提供するかもしれないので、nger。実験者は、指が移動したことを検知した場合に裁判を破棄します。
注：小さな指の動きが手順で実験者によって検出されない可能性があることに注意してください。 - 階段のアルゴリズムで2ダウンと1アップ適応方式を採用。
- 最大の格子、6.0ミリメートルで始まります。
- オリエンテーション（正しい応答）の2正しい識別した後、回折格子の幅を減少させます。
- 次の、小さい幅をテストし、被験者が誤った応答を行い、反転点として格子幅を文書化するまで、ステッピングルールを続行します。
- 幅の2つの向きが正しく再び決定されるまで、再び格子幅を段階的に増やします。
- 13逆転の完了後にテストを終了します。
- 最後の10逆転の格子幅の中央値をとることによって、触覚格子の向きのしきい値を計算します。
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Representative Results
圧電アクチュエータは、被験体に振動刺激を提供します。振動刺激は、1.8秒の全持続時間を有し、第一または第二の間隔（ 図2A）の間の試験中に一度だけ提示されています。立ち上がり開始時に立ち下がり時間と刺激のオフセットは、それぞれ（1-E -bt）∙振幅∙正弦（周波数）、および（e -bt）∙振幅∙正弦（周波数）、ここで、関数によって決定されますbが9.1に設定されています。立ち上がり開始時に立ち下がり時間とオフセットはそれぞれ、500および600ミリ秒であり、テスト周波数と振幅とは無関係です。発症の間の位相オフセット刺激の持続時間は700ミリ秒です。緩やかな立ち上がりと立ち下がりが滑らかな刺激の配信を保証します。
それらが異なる戦争によって媒介されるので、振動検出閾値は、刺激周波数に依存しますRY受容体。人間の心理物理同調曲線によると、閾値は、〜20 nmまで〜45μmの5の間にあります。したがって、振動波形の（18 nmのミクロン〜45の範囲）の刺激の35レベルのセットが構築される（ 図2B）振幅値が対数的に配置されている（ベース10;刺激のn + 1 = 10 0.1∙刺激n）です 。振幅のこの範囲は1〜250ヘルツの範囲の周波数でテストすることができるように設計されています。出発刺激振幅は、通常、特定の振動周波数の試験の平均振動検出閾値以上に設定されています。高周波用の300 nmの周り平均検出閾値を測定した心理物理研究の両方から得られた周波数同調曲線上の以前の観察（> 100 Hz）で刺激し、より低い周波数のために〜3μmの（<40 Hz）で5,23,24。
入力駆動電圧の関係は番目します10および125 Hzの歪みゲージセンサ（SGS）によって測定した圧電アクチュエータの電子出力変位は、 図3Aおよび3Bに示されています。関係は、（ 図3C）を使用した振動強度のセットの線形（相関係数、R 2 = 0.9992）です。 20 nmの振幅（ 図3D）の正弦波形の入力電圧と出力変位とほぼ同一の関係がありました。
図4、右小指の振動検出閾値は125 Hzで決定された典型的なテストセッションで。しきい値検索は、振幅レベル23（676 nmの変位）のしきい値を超えている刺激から始まります。実験セッションは、単一の試験の複数の系列で構成されています。シリーズは、1つの振動刺激レベルで適用される最大9単一の試験で構成されています。 stimuluの減少一般的にはsの強度（レベル）は、少なくとも6シーケンシャル正しい応答（ 図4A）が必要です。刺激強度の方向の変化は、裁判シリーズトラックに反転点をマークし、少なくとも二つの誤った応答を必要とします。刺激強度の変化の大きさは、反転数に依存します。反転回数が第3反転（上方向）に2つのレベル、続いて3未満の場合、急速に閾値を検索するために、刺激強度は4段階のステップで変化させます。そうでなければ、刺激強度が細かく閾値（ 図4B）を決定するために、1レベルのステップで変化します。被験者の閾値は、最後の6反転点のメジアン刺激強度を変換することによって計算されます。この場合、401 nmの。変換されたルールの上下手順は、回答の75％が正しいするしきい値の値に収束します。これは、以下を使用してダウンルールにつながる応答配列に基づいて算出しました。式：P 6 + 6P 6（1-P）+ 6P 6（1-P）2、pは正しい応答の確率です。。。
同じ被写体では、触覚キューブ実験は、（ 図5）を行いました。各試験は2刺激で構成されています。 2ダウンと1アップルールが採用され、実験は13反転ポイント後に終了します。触覚視力閾値は1.6ミリメートル、最後の10の反転ポイントの格子幅の中央値です。 2ダウンと1アップ階段ルールは71％正しいしきい値25に収束します。
図1：振動触覚閾値（A）と、一般的な試験試験（B）の測定のためのセットアップの構成要素を示す概略図。e.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2： 振動刺激の物理的特性 （A）刺激波形の概略図。 （B）は、（x軸は対数目盛を有する）の振動刺激のための振幅。黒丸は125 Hzで振動試験の開始振幅強度を示している。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3：10 Hzから125Hにおける圧電アクチュエータの出力変位への駆動入力電圧の関係SGS一体型センサによって測定され、Z正弦入力波形、（A及びB）。 （C）試験に使用される振動強度レベルのセット125ヘルツ駆動入力電圧および測定された出力変位との関係。 （D）最低強度レベル、20 nmの出力変位とほぼ同一の入力電圧。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
。図4：;トライアルシリーズ番号に対してプロットされている主題の代表的な性能は、被験者の応答（間違って、黒丸正しい、白丸）は2区間強制選択振動検出テスト （A） に示されています 。 （B）図depicティン試験のセットにわたって（ すなわち 、増減レベル）の両方のステップサイズと方向を変更することにより、しきい値を検索し、適応方法。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図5：触覚視力キューブを使用して、回折格子の向きタスクの2-の代替強制選択アルゴリズム上の被写体の典型的な性能 、被験者の応答（正しい、白丸;正しくない、黒丸）は試行回数に対してプロットされています。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
| Stimul私たちのレベルと刺激振幅に対応する出力電圧（V） | |||||
| （1 V = 10μmの変位振幅） | |||||
| 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 |
| 5 | 0.0045 | 17 | 0.07132 | 29 | 1.13035 |
| 6 | 0.00567 | 18 | 0.08979 | 30 | 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：刺激レベルと刺激振幅に対応する出力電圧（V）。
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Discussion
VDTを評価するために使用される技術は、装置の仕様、ハードウェア、及び試験プロトコルに関して異なります。国際標準化機構は、振動計のさまざまなコンポーネントのための勧告（ISO 13091から1および2 26,27）を含む振動触覚閾値を分析し、解釈するための方法と手順を指定する記載の試験システムは、試験周波数範囲に関連するISO勧告に遵守してい（4-125 Hz）で、メソッド、プローブサイズ（アップダウン階段と強制選択のバリアント）（滑らかな平面と円形縁取り）、および室温でのテスト。セットアップは、プローブの位置との変位を決定するセンサーを装備することができ、必要に応じて振動刺激を単離することをしっかりサラウンドを装備することができます。
次の特性で説明したデバイスのうその利点：コンポーネントの可用性と容易に組み立てます。調整可能な周波数範囲1から500ヘルツ。広い振幅範囲（5 NM-90μmの変位）。複数のプローブの大きさ、振動刺激の大きさと持続時間のプログラマビリティ。そして、様々な適応方法と心理物理試験プロトコルへの汎用性。ポータブルシステムは28利用可能であるが、セットアップは、トランスであり、そのような学校、研究機関、病院などの様々な設定で使用されています。研究センターは、しかし、実験のセットアップに必要な追加のツールやデバイスを製造するための設備の整ったワークショップを持っている必要があります。そこは、商業的に組み立てられ、ケースIVまたはメドック例えば利用システムの準備ができて、これらのシステムは、刺激の限られたセットを提供するように構成されています。対照的に、我々のシステムは、使用されるピエゾ素子の仕様によって制限される刺激プロトコルの非常に広い範囲を実装するために使用することができます。黄銅バーサイズには、手足の指以外の領域をテストすることは不可能です。私たちのデバイスはに刺激を制限するためにサラウンドを使用していませんテストした皮膚領域は、接触を調べるために、実際の皮膚よりも大きな幅の広い面積が刺激される可能性があります。最後に、手順は、時間の長い期間、平均して15分間、被験者から注意が必要です。通常、最初の3反転は強度レベルが大きく変化（4レベル）を持っており、一度最も可能性の高いしきい値を完成4強度レベルのこの範囲内にあります。テストの進行状況により、しきい値の微決意がなされています。他の場所29記載の適応の手順で実装し、統合することができ、他の停止基準があります。
振動検出閾値に影響を与えることができるいくつかのデバイス・パラメータは、設定17で調整可能です。これらは、皮膚へのプローブの接触面積等のデバイスパラメータ、刺激の領域を制限するために、プローブを囲むサラウンドの使用、選択された振動周波数、手首の姿勢、および心理テストアルゴリズムを含みます。心理物理トン制限の方法と階段方法を組み込んだestingアルゴリズムは、VDTを決定するために使用されており、特定の方法に有利コンセンサスは存在しません。振動触覚の閾値は、20を使用する精神物理学的試験方法に依存して変化しません。 VDTの推定値は125 Hzのために確実に心理物理プロトコルで概説適応方法を用いて、50〜600ナノメートルの範囲で得られ、他の研究5,23からのVDTと一致しています。また、別の適応方法のためのスクリプトを簡単に開発し、振動検出閾値25のための精神物理学的試験を実行するために統合することができます。私たちは振動しきい値の決意について記載した適応手順は、各刺激強度レベルのために、被験者の正しい応答が刺激強度の階段22を下に移動させるために76％の上に正しいことが保証されます。唯一の2つの可能な応答があるので、ラッキー推測のシリーズが誤って目を変化させることができます特に低刺激レベルできい値の測定、。この理由のため、我々はこのようなエラーを最小化するために、それぞれの振動レベルの一連の試験である改変を加えました。反転点間以上の4つのレベルの偏差 - - トライアルシリーズの間に何の一貫性を示さない被験者は、典型的には、研究から除外されています。プローブコンタクトとどのように皮膚を刺激しながら、プローブの動作に皮膚は、タッチ感覚30,31上の任意の心理物理実験に非常に重要です。ピエゾアクチュエータは、コンパクトな歪みゲージセンサ（SGS）（3キロヘルツまで）比較的高い帯域幅を有し、良好な再現性（公称変位の0.1％）と非常に良好な分解能を備えています。それも高い静的負荷で細かい字下げに来る場合は特にそのため、圧電素子は、信頼性の高い特性を有します。我々が使用するピエゾ（PICMAスタックピエゾリニアアクチュエータ）がガイドに埋め込まれており、これは横方向のモティを保証しないため、動きが直線状でありますに。また、サーボ・コントローラが自動的に変化する負荷または力を補償することができます。
我々はここで説明した触覚視力の評価は、触覚刺激の手動配信に依存しています。試験は、被験体に手がかりを提供するかもしれない垂直な皮膚の変形や無剪断歪みを生成するために刺激を慎重に適用する必要があります。私たちは、触覚空間視力および振動触覚閾値の決意のため若干異なる手順を選択します。我々は（6レベル）それは格子幅のためにいくつかのレベルが装備されているので、最初はTACを使用して、より大きなステップサイズの変更を使用することを選択しなかった、これらは一定または固定サイズではありませんが、小さいステップサイズの変化に大きく異なります。第3レベルの間の格子の幅の大きさの変化は、3 番目と4 番目のレベル1.25ミリメートルの間、1.5ミリメートルで、6 0.5 番目ミリメートルに4 番目 。格子の向きタスクにおける被験者のパフォーマンスがaffecです触覚刺激によって引き起こされるくぼみの深さによってテッドは、力が指32,33のサイズを適用し、指。 JVPドーム、および二点弁別課題：触覚視力キューブに他の選択肢があります。 JVPドームは、触覚キューブに他の選択肢です。利点はJVPドームが0.35ミリメートルから3.0ミリメートルまでの8格子の幅を持っていることです。 JVPドームは、2点弁別タスクは格子の向きを特定することに依存しないと触覚空間視力34のための有効な対策がないのに対し、舌と唇8の触覚空間視力を評価するために利用することができます。最近では、手動テストに関連する困難は向き格子35のための触覚閾値を決定するために、強制選択パラダイムを適用する自動化された触覚視力システムの導入によって改善されています。
我々が説明した振動触覚や触覚の視力閾値を得るための方法タッチ関連形質3,7,9ための個体をスクリーニングするために使用されてきました。我々のグループが行った研究では、タッチ形質が遺伝していることを示した、と聴覚障害の原因となっている特定の遺伝子病変は、タッチ感度7に影響を与えました 。また、タッチ感度は、水誘導性の指先しわ9のように、異なる実験条件の下で評価することができます。機械受容感度3,7の調節に関与する遺伝子に変異を変更することが可能機能を有する患者においてVDTと触覚視力の定量的な測定を行うことが重要であろう。確かにそこに直接Piezo2とSTOML3 1,13,14,36,37のように、このプロセスに関与する遺伝子の同定における最近の急増となっており、この領域での急速な進展は、タッチを調節する新しい遺伝子を同定することを確認されています。このような「タッチ」の遺伝子における遺伝的変異の影響は、理想的には、定量的な心理物理的方法Lを遺伝子型決定した患者で試験しますここで説明IKEたもの。
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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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