Summary
呈现的是触觉半自动被动手指角刺激器 TSPAS，这是一种使用计算机控制的触觉刺激系统来评估触觉空间敏锐度和触觉角度辨别的新方法，该系统将凸起角度刺激应用到受试者的被动指垫上，同时控制运动速度、距离和接触时间。
Abstract
被动触觉感知是被动和静态感知来自皮肤的刺激信息的能力：例如，感知空间信息的能力是手部皮肤中最强的。这种能力被称为触觉空间敏锐度，由触觉阈值或歧视阈值来衡量。目前，两点阈值被广泛用作触觉空间敏锐性的衡量标准，尽管许多研究表明，两点歧视存在严重缺陷。因此，开发了计算机控制的触觉刺激系统，即触觉半自动被动手指角刺激器（TSPAS），利用触觉角度辨别阈值作为触觉空间敏锐度的新尺度。TSPAS 是一种简单易于操作的系统，在控制运动速度、距离和接触时间的同时，将凸起的角度刺激应用于受试者的被动指垫。TSPAS 的组件详细描述了计算触觉角度歧视阈值的程序。
Introduction
触摸感知是体感觉系统处理的感觉的基本形式，包括触觉感知和触觉感知。被动触觉感知，而不是主动探索，意味着物体被移动，使接触静态皮肤1，2。与其他意义上的触觉一样，触觉中的空间分辨率，也称为触觉空间敏锐度，通常以触觉阈值、检测阈值或歧视阈值2、3表示。在过去的100年里，两分阈值通常被用作触觉空间敏锐度4的衡量标准。然而，许多研究表明，两点阈值是触觉空间能力的无效索引，因为两点歧视（TPD）不能排除非空间线索（例如，如果两点太近，他们可能会找到一个容易引起神经活动增加的单一受体场），并维持一个稳定的响应标准3，4，5。由于TPD的缺点，已经开发了几种新的和有前途的方法作为替代品，如触觉光栅方向（GO）3，6，两点方向歧视5，提高字母识别，间隙检测7，点模式，兰多特C环8，角歧视（AD）9，10。目前，由于操作GO的优势，以及空间结构和使用的刺激的复杂性，GO越来越多地用于测量触觉空间敏锐度11，12，13。
虽然触觉 GO 被认为依赖于底层空间机制，从而产生了对触觉空间敏锐性的可靠测量，但 GO 性能是否部分受非空间提示14的影响（例如，可能提供识别方向刺激差异的提示的密集迹象）仍存在争议。此外，GO仅包括简单的空间定向（即水平和垂直）任务，主要涉及感官处理，这限制了它在探索主体体感觉皮层中的触觉初级处理和触觉高级拥有之间的层次相互作用，涉及后皮层皮层（PPC）和超毛陀螺（SMG）15，16，17。为了弥补这些缺点，触觉广告被开发用于测量触觉空间敏锐度9，10。在 AD 中，一对角度被动地滑过指尖。角度在大小上有所不同，受试者需要确定哪个角度较大。为了始终如一地完成此任务，必须将触觉角度的空间特征表示并存储在工作记忆中，然后进行比较和辨别。因此，触觉广告不仅涉及初级处理，而且涉及对触觉感知的高级认知，如工作记忆和注意力。
与各种线向感知测试一样，在触觉广告中，受试者连续呈现一个参考角度和一个比较角度，并被要求指出哪个角度较大，即18、19、20、21。构成角度的线条长度相等，并沿假想的比塞器对称分布。通过对称地更改线条的空间尺寸，可以创建所有类型的凸起平面角度。因此，这种方法的一个关键优点是，被区分的角度具有相似的空间结构。此外，AD 中获得的空间表示比在 GO 中获得的空间表示更具顺序性。然而，AD阈值提供了证据，证明触觉空间敏锐度足以允许对象22之间的空间歧视。此外，角度的触觉空间感知可以从点到线体验，最终形成一个二维平面角度，其中非空间线索可能只起到很小的作用。
AD 阈值被发现随着年龄的增长而增加，这可能是由于触觉 AD 任务中需要高认知负荷。因此，它可以提供认知障碍诊断9，10的监测机制。虽然广告表现受年龄下降的影响，但通过持续训练或类似的触觉任务训练，可以显著改善青少年的广告表现。此外，fMRI研究表明，延迟匹配到样本的触觉角度任务激活了负责工作记忆的某些皮质区域，如后皮层皮层17，24。这些发现表明，触觉角度歧视是衡量触觉空间敏锐性的有希望的指标，涉及高级认知。在这里，触觉AD设备及其使用被详细描述。其他触觉研究人员可以复制AD设备并将其用于研究。
触觉AD设备，或触觉半自动被动手指角刺激器（TSPAS），使用电子滑梯传达一对角度刺激，被动地滑过皮肤（图1）。受试者的手臂舒适地躺着，俯卧在桌面上。右手放在桌子上的手板上，食指板位于盘子开口的正下方。计算机软件可以控制幻灯片，以固定速度移动幻灯片，并向前和向后移动滑动当滑动向前移动时，角度刺激以固定速度从指尖开始被动地滑过皮肤。当滑动向后移动到其启动位置并更改为另一对角度刺激时，主体需要抬起食指，等待命令在打开时再次轻轻放置。因此，设备以可控的速度、稳定的接触持续时间和恒定的间歇间隔呈现触觉角度刺激。受试者口头报告序列号，实验者将其登记为响应，然后进行下一次试验。
图1：TSPAS概述。
设备由四部分组成：1）触觉角度刺激（即参考角和十个比较角度）：2） 固定受试者手部并仅使食指与刺激接触的手板：3） 携带触觉刺激的电子滑块：4） 控制电子幻灯片速度和运动距离的个人计算机 （PC） 控制系统。 请点击这里查看此数字的较大版本。
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Protocol
根据冈山大学当地医学伦理委员会的政策，从受试者那里获得了书面知情同意。检测程序得到了冈山大学当地医学伦理委员会的审查和同意。
1. 设备的详细组成和功能
- 触觉角度刺激
- TSPAS 使用二维 （2D） 凸起的角度被动地滑过皮肤，形成角度的触觉空间表示（图 2）。触觉角度由塑料线和方形基座组成，均由透明丙烯酸板制成。由于构成角度的线是相等和对称的，通过对称地改变线的空间尺寸，可以创建所有类型的凸起平面角度。
- 使用铣床，将丙烯酸板切割成两条相等的线（8.0 毫米长、1.5 毫米宽和 1.0 毫米高）对称地沿着假想的比塞克和方形基座（40.0 毫米长宽，3.0 毫米高）。
- 将多线粘合到方形底座的中心，以创建 2D 凸起的触觉角度刺激。
- 以 2° 增量制作角度尺寸从 50° 到 70° 的碎片。这些角度的终点距离（d，见 图2）为6.8毫米、7.0毫米、7.3毫米、7.5毫米、7.8毫米、8.0毫米（60°角）、8.2毫米、8.5毫米、8.7毫米、8.9毫米和9.2毫米。要将终点距离对角度歧视的影响降低到最低，请使用 60° 角作为参考角度，其他角度作为比较角度。
- 组成 20 对被区分的角度，包括 20 个相同的参考角度和 10 对相同的比较角度，其测量的累积度± 0.2°。确保在测试每对时 50% 的时间内先呈现参考角度。该实验可以方便快捷地更新触觉角度刺激。
图2：触觉角度刺激示例。
（A） 实验中使用的十个比较角度的参考角（60°）和两个（50°和70°）示例。特别地绘制了参考角度的详细参数。 d 表示终点距离 ，R 表示局部顶点曲率半径 ，r 表示终点曲率半径。（B） 在 3D 中看到的凸起角度示例。从 3D 视图看，凸起线的高度为 1.0 mm。 请点击这里查看此数字的较大版本。
- 手板
- 为了稳定受试者的手，制作一个垂直于电子幻灯片的手板（图3）。首先，使用铣床，将 5.0 毫米厚的丙烯酸板切成 14.0 厘米 x 22.0 厘米矩形板，然后用胶带和胶水将矩形板固定在底座上（14.0 厘米宽、14.0 厘米长和 8.5 高）。之后，使用铣床，在板的左上角切开一个矩形开口（宽2.5厘米，长5.0厘米）。这仅允许食指接触角度刺激。实验前，用尼龙胶带固定受试者的右手手腕，然后指示受试者在板的开口处轻轻放置右手食指。
图3：主体的手位置和触觉角度刺激运动方向。
受试者的右手用尼龙胶带固定，并指示受试者将右手食指放入盘子的开口处。角度刺激被夹在仪器上，由电子滑梯水平移动，被动地滑过指垫。 请点击这里查看此数字的较大版本。
- 机动线性滑动
- 最大运动距离为 51.0 厘米的电子滑梯使用 5.0 厘米高、5.4 厘米宽和 71.0 厘米长的简单线性运动电机向直向移动（见 材料表），这是一个线性运动系统。将电机连接到个人计算机，使用专用数据编辑软件设置和编辑各种数据（见 材料表）。确保这些设置能够使电子幻灯片在参考点上使用给定速度移动指定距离。当将角度刺激直接从任意位置移动到指定位置时，这是必要的。
- 计算机控制系统
- TSPAS 是一个半自动的计算机控制系统。用于控制幻灯片移动的数据编辑软件是基于 PC 的软件，用于编辑机动执行器操作所需的数据。在实验中，将幻灯片的速度设置为 20 mm/s，每次试验的移动距离设置为 80 mm。每次单击按钮时，幻灯片都会像以前设置的那样移动。
2. 运行实验
- 实验前，首先将运动类型设置为"INC"，运动距离为"80 mm"，运动速度为"20 mm/s"，运动功能为"单"，轴为数据编辑软件中的"ID =0"（请参阅 材料表 中的操作手册，了解如何设置参数的说明），以确保电子幻灯片在 80 mm 的距离和 20 mm/s 的速度向前和向后移动，并在其他距离和速度下移动。
- 招募手指没有受伤和呼叫的受试者。争取在18-35岁年龄范围内招募同等数量的男性和女性科目。请注意，女性和男性的触觉空间敏锐度以及老、少两个科目25、26之间存在差异。
- 蒙住主题，坐在他或她的桌子与仪器（图1）。用尼龙胶带固定受试者的右手，然后指示受试者将右手食指轻轻放在手板的开口处（图3）。
- 在幻灯片上夹住一对角度，包括参考角度和比较角度。单击按钮后，对角度滑动总距离为 80 mm。他们被动地以20毫米/s的速度穿过食指板。由于参考角和比较角度之间的距离为 31.8 ± 0.8 mm，因此其间刺激时间间隔约为 1.6 s。
- 受试者感知角度的大小后，口头报告两个角度中哪一个较大。如果受试者无法识别哪个角度较大，则他可以指示角度相同。将主题的答案注册为响应数据。之后，下一对角度将以同样的方式不断更换、呈现和感知。
- 在正式实验中，总共有10对角度。以伪语顺序呈现每对 10 倍，其中参考角度在 50% 的时间内经过。因此，该实验包含 100 项试验。为了避免食指上出现不舒服的感觉，每次20次试验后，受试者休息3分钟。实验前，每个受试者用其他角度进行10次试验，以熟悉实验过程。实验应该持续40分钟。
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Representative Results
在这项研究中，3AFC（3替代强制选择）技术和物流曲线用于估计触觉AD阈值。参与者被指示口头报告所感知的两个角度中较大的一个，或者如果他们没有检测到差异，他们可以指示相同的角度。物流曲线的方程，已普遍应用于心理物理实验，以测量阈值27，28，29是：
在此方程中，有两个关键参数，α和β。β代表物流曲线增长，-α/β代表物流曲线中点的X值。
要应用物流曲线来描述 AD 阈值，3AFC 结果必须表示为频率分布，在 图 4中显示为黑色方块。因此，当参考角度小于比较角度时，相同的回答被分为两个：一半被添加到正确的判断中，另一个被添加到不正确，然后修正后的正确回答被转移到速率。当参考角度大于比较角度时，则采取与先前指示相同的步骤，并将修订后的速率降低 1。通过这些步骤，设置了一个坐标系统，其角度表示水平轴，垂直轴表示比较角度大于参考角（图4）的响应比例。在此坐标中，物流曲线可以通过最不方形的方法安装。AD 阈值被定义为角度之间差异的一半，准确率为 25% 和 75%。
图4：物流曲线适合。
AD 任务中一个主题的精度数据用于使用最不方形的方法来适应物流曲线。黑色正方形表示完成触觉 AD 任务的一个主题的修订速率。固线代表残留物最小时通过最不方形方法获得的物流曲线。虚线表示两点（A 1，0.25）和（A2，0.75），AD阈值为 （A2-A1）/2。安装物流曲线后，获得特定参数（α = 21.40，β = -0.35），并计算了 AD 阈值（3.51°）。 请点击这里查看此数字的较大版本。
为了测试此曲线是否准确，使用奇方形测试对物流曲线的适合程度进行了评估，该测试用于确定观测到的速率与预期速率（即安装物流曲线中的值）之间是否存在显著差异。在这里，空假说指出，观察值和预期值之间没有显著差异。奇方测试的价值使用以下公式确定：
在此方程中，O = 观察值，E = 预期值。
为了测试是否可以拒绝空假设，选择 15% 的重要级别作为截止标准28， 并计算临界值（χ2（8）0.15 = 12.03）。由于有 10 个类别，并且使用均值和标准偏差将数据与物流曲线配合使用，因此有 8 度自由度（10-2）。因此，如果物流曲线的奇方形测试值大于此临界值，则否定了空假说。奇方形测试的值 （2.14） 小于此临界值 （12.03），这表明物流曲线拟合是合适的。
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Discussion
提出了触觉空间敏锐度的新措施，触觉广告。在此系统中，一对角度被动地滑过主体的固定食指板。AD 结合了 GO 和 TPD 的优势，减少了密集提示的影响和单点的神经峰值脉冲速率。研究表明，随着参考角度和比较角度4之间的角度差异的变化，感性歧视逐渐发生变化。除了年龄效应、训练效果和认知障碍诊断监测外，AD9、10、23、触觉AD是触觉空间敏锐性的宝贵尺度。然而，其变异性需要在进一步研究中验证。例如，触觉广告应与其他经验证的触觉空间敏锐度测量相关，如图案或盲文字母歧视7、8。
与其他测量触觉空间感知的方法一样，AD 应用阈值来测量角度可分辨性。出人意料的是，角度歧视阈值越小，角度辨别性越强。在以前的研究中，使用插值方法精确定位阈值值 9，10。虽然该方法不需要假设受试者的行为是使用心理测量功能捕获的，但它只适合比较角度的半尺寸范围的数据。在目前的实验中，为了覆盖整个比较角度的范围，物流曲线被用来计算阈值27，29。由于一半的比较角度小于参考角度，另一半大于参考角度，因此当前方法可以一次适应所有数据点并计算角度歧视阈值。对物流曲线的适合性进行了评估，采用了奇方形测试，发现物流曲线拟合适合28。
要使用 TSPAS 系统进行广告实验，需要注意以下几点：首先，由于 TSPAS 是使用 PC 软件的半自动系统，因此有必要再次验证幻灯片是否可以以实验前设置的速度和距离移动。其次，有必要确定实验过程中受试者是否清醒。因为受试者在实验中戴着眼罩，所以他或她很容易变得困倦。在这种情况下，受试者可能会错过一些信息并做出错误的决定。第三，强制休息也是必要的。如果受试者的指垫长时间受到刺激，指垫可能会适应凸起的角度刺激，并且可能很难区分角度之间的差异。或者长时间的刺激可能会在键盘上引起不舒服的感觉。因此，应严格控制试验和中断的数量。
TSPAS 的当前特征和触觉角度的范围可能会限制测试人员的范围。因此，TSPAS 需要为不同的人群使用不同范围的触觉角度来测量他们的触觉空间敏锐度。例如，由于老年人的广告阈值比9、10岁的年轻人大得多，因此目前 TSPAS 中使用的触觉角度范围无法测量他们的广告阈值。此外，对于那些指垫不能完全感受到触觉角度的个人，TSPAS 根本不有效，因为他们无法通过在指垫上被动滑动来想象触觉角度。女性和男性受试者之间触觉空间的差异也必须记住。未来的项目可能需要大量的修改，以确定触觉角度的范围，用于不同的人群在临床使用。
虽然 TSPAS 可以很好地控制角度刺激的移动速度和距离，但手动传递角度刺激非常耗时，需要实验者6的相当关注和专注。为了消除手动操作的这些缺点，设计了全自动触觉广告系统。开发自动设备的目的是为受控触觉角度应用建立简单、高效和经济实惠的设备。然而，剩下的一个挑战是如何在很短的时间内精确快速地调整各种角度尺寸。希望所描述的AD系统能够被其他人使用和验证，并推动自动触觉测试。
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Disclosures
作者宣称，他们没有任何相互竞争的利益冲突，财务或其他。
Acknowledgments
这项工作得到了日本科学促进会KAKENHI赠款JP17J40084、JP18K15339、JP18H05009、JP18H01411、JP18K18835和JP17K18855的支持。我们还感谢实验室的技术人员（田村洋子）帮助我们制作凸起的角度。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acrylic sheet (3 mm) | MonotaRO Co.,Ltd. | 33159874 | Good Material |
| Acrylic sheet (1 mm) | MonotaRO Co.,Ltd. | 45547101 | Good Material |
| EZ limo (easy linear motion motor) | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | EZS3 | Good Motorized Linear Slides |
| Data Editing Software | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | EZED2 | easy to use |
| Operating Manual (Orientalmotor) | ORIENTAL MOTOR CO., LTD. Made in Japan | HL-17151-2 | Good Guidebook |
References
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