Stimolatore ad angolo passivo-dito semiautomatico tattile (TSPAS)

Riepilogo

Presentato è lo stimolatore tSPAS tspas ad angolo passivo semiautomato tattile, un nuovo modo per valutare l'acuità spaziale tattile e la discriminazione dell'angolo tattile utilizzando un sistema di stimolo tattile controllato dal computer che applica stimoli ad angolo rialzato al fingerpad passivo di un soggetto, controllando al contempo la velocità di movimento, la distanza e la durata del contatto.

Abstract

La percezione tattile passiva è la capacità di percepire passivamente e staticamente le informazioni di stimolo provenienti dalla pelle; ad esempio, la capacità di percepire l'informazione spaziale è la più forte nella pelle sulle mani. Questa capacità è definita acuità spaziale tattile ed è misurata dalla soglia tattile o soglia di discriminazione. Attualmente, la soglia dei due punti è ampiamente utilizzata come misura dell'acuità spaziale tattile, sebbene molti studi abbiano indicato che esistono deficit critici nella discriminazione in due punti. Pertanto, è stato sviluppato un sistema di stimolo tattile controllato dal computer, lo stimolatore tspas (passive-finger angle stimulator) semiautomatico tattile, utilizzando la soglia di discriminazione dell'angolo tattile come nuova misura per l'acuità spaziale tattile. Il TSPAS è un sistema semplice e facilmente azionabile che applica stimoli ad angolo rialzato al fingerpad passivo di un soggetto, controllando al contempo la velocità di movimento, la distanza e la durata del contatto. Le componenti del TSPAS sono descritte in dettaglio e la procedura per calcolare la soglia di discriminazione dell'angolo tattile.

Introduzione

La percezione del tatto è una forma fondamentale delle sensazioni elaborate dal sistema somatosensoriale, tra cui la percezione aptica e la percezione tattile. La percezione tattile passiva, in contrapposizione all'esplorazione attiva, significa che l'oggetto viene spostato per prendere contatto con la pelle^{statica 1,2}. Come in altri sensi, la risoluzione spaziale nella percezione tattile, definita anche acuità spaziale tattile, è solitamente rappresentata dalla soglia tattile, dalla soglia di rilevamento o dalla soglia di^{discriminazione 2,3}. Negli ultimi 100 anni, la soglia dei due punti è stata comunemente utilizzata come misura dell'acuità spaziale tattile⁴. Tuttavia, molti studi hanno indicato che la soglia dei due punti è un indice non valido di capacità spaziale tattile perché la discriminazione a due punti (TPD) non può escludere segnali non spaziali (ad esempio, se due punti sono troppo vicini, possono localizzare un singolo campo ricettivofferente, che evoca prontamente una maggiore attività neurale) e mantenere un criterio stabile per^{le risposte 3,4,5}. A causa del numero di inconvenienti della TPD, diversi metodi nuovi e promettenti sono stati sviluppati come sostituti, come l'orientamento della griglia tattile (GO)^3,6,la discriminazione di orientamento in due^{punti 5, il riconoscimento}delle lettere alzate, il rilevamento delle lettere^7,i modelli di punti, gli anelli landolt C⁸e la discriminazione dell'angolo (AD)^9,10. Attualmente, a causa dei vantaggi nel funzionamento di GO, nonché della struttura spaziale e della complessità dello stimolo utilizzato, GO è sempre più utilizzato per misurare l'acuità^{spaziale tattile 11,12,13}.

Sebbene si pensa che il GO tattile si basi sui meccanismi spaziali sottostanti, producendo così una misura affidabile dell'acuità spaziale tattile, si discute ancora se le prestazioni GO siano in parte influenzate da segnali non spaziali¹⁴ (ad esempio, segni intensivi che possono fornire uno spunto per identificare la differenza tra gli stimoli di orientamento). Inoltre, GO consiste solo in semplici compiti di orientamento spaziale (cioè orizzontale e verticale) e coinvolge principalmente l'elaborazione sensoriale, che ne limita l'uso quando si esplora l'interazione gerarchica tra l'elaborazione primaria tattile nella corteccia somatosensoriale primaria e il possesso avanzato tattile che coinvolge la corteccia parietale posteriore (PPC) e il giro sopramarginale (SMG)^15,16,17. Per compensare questi inconvenienti, è stato sviluppato l'AD tattile per misurare l'acuità^{spaziale tattile 9,10}. In Active Uniti, un paio di angoli scivolano passivamente sulla punta delle dita. Gli angoli variano in dimensioni e il soggetto deve determinare quale degli angoli è più grande. Per svolgere in modo coerente questo compito, le caratteristiche spaziali degli angoli tattili devono essere rappresentate e memorizzate nella memoria di lavoro e quindi confrontate e discernere. Pertanto, l'AD tattile comporta non solo l'elaborazione primaria, ma anche la cognizione avanzata della percezione tattile, come la memoria di lavoro e l'attenzione.

Come in una varietà di test di percezione dell'orientamento della linea, nell'AD tattile il soggetto viene presentato successivamente con un angolo di riferimento e un angolo di confronto e viene chiesto di indicare quale è l'angolo^{più grande 18,19,20,21}. Le linee che compongono gli angoli sono uguali in lunghezza e distribuite simmetricamente lungo un bisettore immaginario. Modificando simmetricamente le dimensioni spaziali delle linee, è possibile creare tutti i tipi di angoli piani rialzati. Pertanto, un vantaggio critico di questo metodo è che gli angoli differenziati hanno strutture spaziali simili. Inoltre, la rappresentazione spaziale acquisita nell'AD è più sequenziale di quella acquisita in GO. Tuttavia, la soglia ad fornisce la prova che l'acuità spaziale tattile è sufficiente per consentire la discriminazione spaziale tra gli^{oggetti 22}. Inoltre, la percezione spaziale tattile dell'angolo può essere sperimentata da un punto all'altro e infine formare un angolo piana bidimensionale in cui gli spunti non spaziali possono svolgere solo un piccolo ruolo.

Si è riscontrato che la soglia di active ad aumenta con l'aumentare dell'età, che potrebbe derivare dalla necessità di un elevato carico cognitivo nell'attività ad tattile. Pertanto, può fornire un meccanismo di monitoraggio nella diagnosi di deficit^{cognitivo 9,10}. Sebbene le prestazioni dell'AD siano influenzate dal declino legato all'età, possono essere notevolmente migliorate nei giovani mediante una formazione continua o una formazione tattile simile²³. Inoltre, studi fMRI hanno dimostrato che un compito di angolo tattile match-to-sample ritardato ha attivato alcune regioni corticali responsabili della memoria di lavoro, come la corteccia parietale posteriore^17,24. Questi risultati suggeriscono che la discriminazione dell'angolo tattile è una misura promettente per l'acuità spaziale tattile che comporta una cognizione avanzata. Qui, l'apparecchiatura AD tattile e il suo uso sono descritti in dettaglio. Altri ricercatori tattili possono riprodurre l'apparecchiatura AD e usarla nella loro ricerca.

L'apparecchiatura AD tattile, o stimolatore ad angolo passivo-dito semiautomatico tattile (TSPAS), utilizza uno scivolo elettronico per trasmettere un paio di stimoli angolari per scivolare passivamente sulla pelle (Figura 1). Le braccia dei soggetti giacciono comodamente, prostrate su un tavolo. La mano destra si trova su una piastra della mano nel tavolo e un dita indice si trova leggermente sotto l'apertura della piastra. Il software per computer può controllare la diapositiva, spostarla a una velocità fissa e spostarla avanti e indietro. Mentre la diapositiva si muove in avanti, gli stimoli angolari scivolano passivamente sulla pelle a una velocità fissa a partire dalla punta delle dita. Quando la diapositiva si sposta all'indietro nella posizione iniziale e passa a un'altra coppia di stimoli angolari, il soggetto deve sollevare il dito indice verso l'alto e attendere che un ordine lo posizionare leggermente all'apertura. Pertanto, l'apparecchiatura presenta stimoli dell'angolo tattile a velocità controllata, durata di contatto stabile e intervallo interstimolo costante. Il soggetto riporta oralmente un numero di sequenza e lo sperimentatore lo registra come risposta e procede allo svolgimento della prova successiva.

Figura 1: Panoramica del TSPAS.
L'attrezzatura è composta da quattro parti: 1) stimoli dell'angolo tattile (cioè l'angolo di riferimento e dieci angoli di confronto); 2) la piastra della mano che fissa la mano del soggetto in posizione e mantiene solo l'indice a contatto con gli stimoli; 3) il cursore elettronico che trasporta gli stimoli tattili; e 4) il sistema di controllo del personal computer (PC) che controlla la velocità e la distanza di movimento dello scivolo elettronico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocollo

Il consenso informato scritto è stato ottenuto dai soggetti nel rispetto delle politiche del comitato etico medico locale dell'Università di Okayama. Le procedure di test hanno ottenuto la revisione e il consenso del comitato etico medico locale dell'Università di Okayama.

1. Composizione dettagliata e funzione delle attrezzature

1. Stimoli dell'angolo tattile
   1. Il TSPAS utilizza angoli rialzati bidimensionali (2D) per scorrere passivamente sulla pelle e formare una rappresentazione spaziale tattile degli angoli (Figura 2). Gli angoli tattili sono costituiti da linee di plastica e basi quadrate, entrambe realizzate con un foglio acrilico trasparente. Poiché le linee che compongono gli angoli sono uguali e simmetriche, modificando simmetricamente le dimensioni spaziali delle linee, è possibile creare tutti i tipi di angoli piani rialzati.
   2. Utilizzando una fresatrice, tagliare il foglio acrilico nella polilinea con due linee uguali (lunghe 8,0 mm, larghe 1,5 mm e alte 1,0 mm) distribuite simmetricamente lungo un bisettore immaginario e la base quadrata (lunga 40,0 mm e larga, alta 3,0 mm).
   3. Incollare la polilinea al centro della base quadrata per creare uno stimolo dell'angolo tattile sollevato 2D.
   4. Realizzare pezzi con dimensioni angolari che vanno da 50° a 70° in incrementi di 2°. Le distanze del punto finale (d, vedi figura 2) di questi angoli sono 6,8 mm, 7,0 mm, 7,3 mm, 7,5 mm, 7,8 mm, 8,0 mm (angolo 60°), 8,2 mm, 8,5 mm, 8,7 mm, 8,9 mm e 9,2 mm. Per ridurre al minimo l'impatto della distanza del punto finale sulla discriminazione dell'angolo, utilizzate un angolo di 60° come angolo di riferimento e altri angoli come angoli di confronto.
   5. Compongono 20 coppie di angoli discriminati, tra cui 20 angoli di riferimento identici e 10 coppie di angoli di confronto identici le cui accuratezze misurate sono ± 0,2°. Assicurarsi che l'angolo di riferimento sia presentato per primo il 50% delle volte in cui ogni coppia viene testata. L'esperimento può essere facilmente e convenientemente aggiornato con stimoli dell'angolo tattile.

Figura 2: Esempio di stimoli dell'angolo tattile.
(A) Esempio dell'angolo di riferimento (60°) e due (50° e 70°) dei dieci angoli di confronto utilizzati nell'esperimento. In particolare, sono stati tracciati parametri dettagliati dell'angolo di riferimento. d rappresenta la distanza del punto finale, R rappresenta il raggio di curvatura nell'apice locale e r rappresenta il raggio di curvatura nel punto finale. (B) Esempio di angolo rialzato visto in 3D. L'altezza della linea rialzata è di 1,0 mm dalla vista 3D. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Piatto a mano
   1. Per stabilizzare la mano del soggetto, creare una piastra a mano perpendicolare allo scivolo elettronico (Figura 3). In primo luogo, utilizzando una fresatrice, tagliare un foglio acrilico spesso 5,0 mm in una piastra rettangolare di 14,0 cm x 22,0 cm, quindi fissare la piastra rettangolare a una base (larga 14,0 cm, lunga 14,0 cm e alta 8,5) con nastro adesivo e colla. Successivamente, utilizzando una fresatrice, tagliare un'apertura rettangolare (larga 2,5 cm e lunga 5,0 cm) nell'angolo in alto a sinistra della piastra. Ciò consente solo al dito indice di contattare lo stimolo dell'angolo. Prima dell'esperimento, fissare il polso destro del soggetto con nastro di nylon, quindi istruire i soggetti a posizionare leggermente le dita dell'indice destro all'apertura della piastra.

Figura 3: Posizione della mano del soggetto e direzione del movimento degli stimoli dell'angolo tattile.
La mano destra del soggetto era fissata con nastro di nylon e al soggetto fu ordinato di posizionare il dito indice destro nell'apertura nella piastra. Gli stimoli angolari erano fissati sull'apparato e venivano spostati orizzontalmente dallo scivolo elettronico per scivolare passivamente attraverso il fingerpad. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Scorrimento lineare motorizzato
   1. Lo scivolo elettronico con una distanza massima di movimento di 51,0 cm viene spostato in direzione dritta utilizzando un facile motore a movimento lineare con 5,0 cm di altezza, 5,4 cm di larghezza e 71,0 cm di lunghezza (vedi Tabella dei materiali),che è un sistema a movimento lineare. Collegare il motore a un personal computer e impostare e modificare vari dati utilizzando un software di modifica dei dati dedicato (vedere Table of Materials). Assicurarsi che queste impostazioni possano fare in modo che la diapositiva elettronica sposti una distanza specificata utilizzando una determinata velocità rispetto al punto di riferimento. Ciò è necessario quando si spostano gli stimoli dell'angolo direttamente da una posizione arbitraria a una posizione specificata.
4. Sistema di controllo informatico
   1. Il TSPAS è un sistema semiautomatico controllato da computer. Il software di editing dati utilizzato per controllare il movimento della diapositiva è un software basato su PC per la modifica dei dati necessari per il funzionamento degli attuatori motorizzati. Nell'esperimento, impostare la velocità dello scivolo a 20 mm/s e la sua distanza di movimento a 80 mm per ogni prova. Ogni volta che si fa clic su un pulsante, la diapositiva si sposta come impostato in precedenza.

2. Esecuzione di un esperimento

1. Prima dell'esperimento, impostare prima il tipo di movimento come 'INC',distanza di movimento come '80 mm', velocità di movimento come '20 mm/s', il movimento funziona come 'singolo', e asse come 'ID = 0' nel software di editing dati (vedi il manuale d'uso nella Tabella dei Materiali per istruzioni su come impostare i parametri) per garantire che lo scivolo elettronico possa muoversi sia a una distanza di 80 mm che ad una velocità di 20 mm/s avanti e indietro, e ad altre distanze e velocità.
2. Recluta soggetti le cui dita sono libere da lesioni e calli. Cerca di reclutare un numero uguale di soggetti maschi e femmine nella fascia di età dai 18 ai 35 anni. Si noti che c'è una differenza nell'acuità spaziale tattile tra soggetti femminili e maschili, così come soggetti vecchi e^{giovani 25,26}.
3. Ben bendare il soggetto e sederlo ad un tavolo con l'apparecchio (Figura 1). Fissare la mano destra del soggetto con nastro di nylon e successivamente istruire il soggetto a posizionare leggermente il dito indice destro all'apertura della piastra della mano (Figura 3).
4. Bloccate una coppia di angoli, inclusi l'angolo di riferimento e l'angolo di confronto, sullo scivolo. Dopo aver fatto clic sul pulsante, la coppia di angoli scorre per una distanza totale di 80 mm. Attraversano passivamente il fingerpad indice a una velocità di 20 mm/s. Poiché c'è una distanza di 31,8 ± 0,8 mm tra l'angolo di riferimento e l'angolo di confronto, il loro intervallo di tempo interstimolo è di circa 1,6 s.
5. Dopo che il soggetto ha percepito le dimensioni degli angoli, riferisce oralmente quale dei due angoli è più grande. Se il soggetto non è in grado di identificare quale angolo è più grande, può indicare che gli angoli sono gli stessi. Registrare la risposta dell'oggetto come dati di risposta. Successivamente, la prossima coppia di angoli verrà continuamente sostituita, presentata e percepita allo stesso modo.
6. Ci sono un totale di 10 coppie di angoli nell'esperimento formale. Presentare ogni coppia 10x in un ordine pseudocasuale in cui l'angolo di riferimento passa per primo il 50% delle volte. Pertanto, l'esperimento contiene 100 prove. Per evitare sensazioni scomode sull'indice, dopo ogni serie di 20 prove il soggetto si prende una pausa di 3 minuti. Prima dell'esperimento, ogni soggetto pratica 10 prove con altre angolazioni per avere familiarità con la procedura sperimentale. L'esperimento dovrebbe durare ~ 40 minuti.

Risultati

In questo studio, la tecnica 3AFC (3-alternative forced-choice) e la curva logistica sono state utilizzate per stimare la soglia ad tattile. Ai partecipanti è stato ordinato di segnalare oralmente il più grande dei due angoli percepiti, o se non hanno rilevato la differenza, potrebbero indicare lo stesso. L'equazione della curva logistica, che è stata comunemente applicata agli esperimenti psicofisici per misurare^{le soglie 27,28,29...}

Discussione

Viene presentata una nuova misura per l'acuità spaziale tattile, l'AD tattile. In questo sistema un paio di angoli scivola passivamente attraverso il dito indice immobilizzato di un soggetto. AD combina i vantaggi di GO e TPD, riducendo l'impatto di segnali intensivi e la frequenza di impulso di picco neurale di un singolo punto. Questo studio mostra che vi è un graduale cambiamento nella discriminazione percettiva man mano che la differenza di angolo cambia tra l'angolo di riferimento e l'angolo di^co...

Materiali

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