触覚自動パッシブフィンガースティミュレーター（TAPS）

Summary

触覚自動パッシブフィンガースティミュレーター（TAPS）：我々は、タッチの感覚を調査するためのコンピュータ制御装置を説明します。我々は、TAPSのコンポーネントを説明し、TAPSは、2つの間隔強制選択の触覚格子の向きのテストを管理するために使用される方法を示します。

Abstract

触覚空間視力テストは神経科学の研究と臨床評価の両方で使用されていますが、いくつかの自動化されたデバイスは、皮膚に制御する空間的に構造化刺激を提供するために存在する。その結果、捜査官はしばしば手動で触覚刺激を適用する。手動の刺激のアプリケーションは時間がかかる、捜査官の一部に細心の注意と集中力を必要とし、多くの刺激のパラメータが制御されていないまま。ここでは、コンピュータ制御の触覚刺激システム、発症の速度、接触力、接触の持続時間をコントロール、肌に空間的に構造化された刺激を適用する触覚自動パッシブフィンガー刺激（TAPS）を、記述する。 TAPSは、効率的に心理物理学的手続きの様々なを行うことができる多目的な、プログラム可能なシステムです。我々は、TAPSのコンポーネントを説明し、TAPSは、2つの間隔強制選択の触覚格子の向きのテストを管理するために使用される方法を示します。

対応する著者：ダニエルGoldreich

Protocol

はじめ

触覚自動パッシブフィンガースティミュレーター（TAPS）は、人の触覚空間視力を評価するために皮膚に押し付けるが構造化された表面に、そのコンピュータ制御システムです。我々は、設計、デュケーヌ大学でデバイスを構築し、マクマスター大学で、現在の形に変更。ここでは、TAPSの機能の概要を示します。私たちは、その後、他の研究者によってその再現を容易にするために、デバイスのコンポーネントについて説明します。最後に、我々は、TAPSは、心理物理実験を行うために使用される方法を示します。

1。デバイスの概要

TAPSは、皮膚（図1）に対して刺激の面を押すように重力を使用しています。被験者の腕はテーブルの上に腹臥位で快適にかかっている。指先（またはテストされる他の皮膚領域）は、テーブル内のトンネル上にあります。テーブルの下に、ステッピングモータは、トンネルの下の部分のいずれかを配置する、40刺激個まで保持しているディスクを回転させる。重力は、回転ロッドの一方の端からぶら下がっ質量で下向きの力を発揮する。リニアアクチュエータのキャリッジから伸びるクロスバーが移動するからロッドを防ぎます。アクチュエータのモータとして前方に、重力の影響下にあるロッドのピボットは、トンネルを通って皮膚の上に上向きに刺激の部分を押す。単純な物理学は刺激の表面が肌に連絡して上昇すると速度、および触覚刺激の静的な力にぶら下がって質量の重量にアクチュエータの速度を関連付けます。アクチュエータは、その開始位置にロッドを返すように方向を反転させたとして、刺激の部分が削除されます。したがって、デバイスが制御された力、速度、接触時間、および相互刺激間隔と触覚刺激を適用します。被験者は、応答を登録するために、非テストの手でボタンを選択します。 TAPSは、応答を検出し、次の刺激を提供するために進みます。

図1。TAPSの物理学。 TAPSは、発症の速度と刺激の定常状態の力の両方を制御します。

発症速度：リニアアクチュエータからのクロスバー（赤色）が速度V ₁で右に移動すると、回転ロッドの左端は、重力の影響下に下がる。棒の右端従って押す刺激ピースの上方に向かって速度V ₂ = V _{1（L 2} / L _3）を持つ指。 V _1は、コンピュータの制御下にあるので、V _2は、調査員が希望する任意の値に設定される可能性があります。

力：重力質量Mで、下向きの力、F ₁ = Mgを発揮する（ここで、G = 9.8 m / sの^2）。これは上向きの力、F ₂との指に対して押すように刺激の部分が発生します。質量のない棒のため、F ₂ = F _{1（L 1} / L _2）。ロッドは、質量のない事実ではないので、F _2は、力センサで測定することにより、経験的に決定されます。 F ₂を微調整するために、捜査官は、ロッドに沿ってMの位置を変更することができます。 F ₂ Mが左に移動された若干として増加（L _1を増加させる）、およびMは（L _1が減少_する ）右に移動したとして僅かに減少。 F ₂に大規模な調整を行うために、質量は変更することができます。

2。コンポーネントとデバイス機能の詳細

I.可動部品

TAPSは、刺激の部分を含むディスクを回転させる2個のステッピングモータ、リニアアクチュエータのキャリッジを駆動するために、もうひとつを使用しています。これら二つのモータは、TAPS"可動部分のすべてを制御します。これらの部品は、機械的に被験者の腕がかかっている上の表から切り離されている下のテーブルの上に横になります。二つのテーブルが非結合されているため、モーターによる振動が肌に転送されていません。テーブルは、慎重に上部のテーブルを介してトンネルが直接回転する棒が接触刺激ピースの上にあるように整列されます。

我々は、刺激の部分に対応するために、回転するディスクの周囲に40平方スロットを機械加工。我々は、ディスクのスロットに収まる正方形のシャフトを持っている丸いプラスチック製の棒、加工棒からの刺激の部分を構築。これは、ピースがディスクのスピンとして、そのスロット内で回転しないことを保証します。私たちは、ピースの丸い顔に刺激の表面をカット。

アクチュエータのキャリッジモーターは前方に、ハング質量反対回転ロッドの端が選択された刺激の部分の底部に連絡して上昇したとき。ロッドが上方向にスイングのように弧を記述しているので、それは刺激の部分の底部との摩擦を解消するために軽量のプラスチック製のベアリングホイールと合わせている。それは、sを押すと、このプラスチック製の車輪が少し回転上向きtimulusピースは、プラスチック製のホイールなしで、棒の端は、上部のテーブルを介してトンネル内で渋滞に作品を引き起こし、（図で左に向かって1）わずかに横方向に曲のベースを引くだろう。さらに一部の円滑な上昇軌道を確保するため、トンネルは、ピースが上昇するなど、トンネルの中心に向かってピースを指示するために面取りされているプラ​​スチック製のカラーに合わせています。

II。センサ

2つのホームセンサー、三リミットセンサ、および力センサ：TAPSは、正常動作を保証するための6つのセンサーを使用しています。

アクチュエータとディスクのホームセンサーがアクチュエータのキャリッジとディスクが、実験の開始時にそれらの目的の初期位置にあることをコンピュータに信号を送る。アクチュエータ原点センサはホール効果センサであり、ディスクのホームセンサーがディスクのリムに張り付いて硬い紙の部分が赤外線センサーのビームを中断するときにアクティブに、U字型光電センサです。ディスクがホームポジションにあるとき、特定のスロットは、上のテーブルでトンネルの下に直接配置されます。後続のすべてのディスクの動きの計算は、この既知の開始位置からの相対作られています。

threeリミットセンサは、故障時の安全機能として役立つ。制御の誤動作、万一のアク​​チュエータのキャリッジの暴走動きを防ぐために、アクチュエータは、順方向と逆方向のリミットセンサ（ホール効果センサ）に適合しています。アクチュエータに有効にした場合、これらのカット力。刺激の部分がトンネルで立ち往生になった場合にディスクの移動を防ぐために、赤外線再帰反射センサーは、上部のテーブルの裏面に添付されます。トンネルに入るために十分に上昇している部分は、このセンサーが赤外線ビームのキャストが破壊され、ディスクのステッピングモータに到達するからblocksコマンド電圧。

6番目と最後のセンサーは、被験者の指の爪を軽くかかって（図2）力センサです。このセンサーは、前後に指の動きを下向きに検出し（トンネル内）。プログラムは、運動が発生した試験を破棄します。センサーが剛性アームに接続されているため、それがさらに上昇部分と接触したときに受動的に上向きに移動するから指を防ぎます。我々は受動的（指固定）触覚空間視力をテストするためのTAPSを使用しているため、力センサは、極めて重要な要素です。指の動きに対して、最終的な予防策として、我々は、横方向の動きを防ぐために、指の側面に軽く、プラスチックの壁を配置。

図2指の動きを検出するセンサーを強制的に。A.は 90度で力センサを押す指の爪の表面に、キューティクルの近くに、50〜80グラムの間の力で。前の一秒を示すB.例の力センサのトレース固定指と維持の接触の一秒に続いて指で刺激ピース、からお問い合わせください。お問い合わせ（時間= 0）によって、下からの刺激ピースの力がセンサー（力トレースの上昇の傾き）に対して、よりしっかりと上を指で押す、という。C.は下向きの指を移動する被写体の試みは良い感じにする場合（注）刺激面は、その後、指の爪とセンサーの間に力が（矢印）減少する。被写体が前後に指を移動する場合、センサーはまた力の変動を登録します。 TAPSは、皮膚が刺激の表面と接触している間にしきい値の量（例えば、20グラム）以上でセンサーと指の爪の変動との間の接触で力の任意の試験を破棄するようにプログラムされています。コンピュータが作った合成音声を使用して、TAPSは、必要に応じて動きが検出されたことを主題に警告することができます。

III。振動と音のダンピング

TAPS"ステッピングモータは振動を生成し、これは順番に音が発生します。振動と音の両方が望ましくないです。振動は、皮膚に送信した場合、触覚タスクを実行するために被験者の能力を妨げる可能性があります。時間が経つにつれて、振動もTAPS"コンポーネントの機械的不安定性を引き起こす可能性があります。音は被験者をそらすことができる。これらの理由から、我々は振動と音の両方を削減するため、および件名を達することから、任意の振動を防止するための措置を講じている。

最も重要なことは、下限と上限の表は、お互いに連絡していません。彼らはそれらが両方とも床に連絡するという意味で接続されています。したがって、モータからの振動、下のテーブルの上に残り、上部のテーブルの上に物を置かない被験者の腕、に送信されていません。さらに、振動や音は、次のように削減されます。低いテーブルを囲んでグラスファイバーカーテンは、デバイスサウンドをマッフル、PVC / FIBERは、アクチュエータ生産振動の一部を吸収するアクチュエータと、そのベースとの間に挟まれた防振パッドを強化、アクチュエータのベースは、さらに振動を減衰するのに役立つ4つのゴム製円筒サンドイッチマウントに座って、ディスクのステッピングモータのベースにもラバーマウントに座って（シリンジプランジャゴム）、及びシリコンO -リングは、ディスクの回転としてクラッターを削減し、刺激部分のシャフトを囲む。

IV。刺激ピース

TAPSは、皮膚に対して空間的に構造化された表面を押して変更したハーフインチ径のロッドを使用しています（図3）。ロッドは、角シャフトを持つように加工されています。棒の丸い顔が刺激の面が含まれています。棒の正方形のシャフトは、刺激の表面がディスクのスピンとしての適切な方向を維持することを確認し、回転するディスクの円周約40平方スロットに収まる。

あらゆる刺激面はロッド面に機械加工されることがあります。私たちは、主に矩形波格子を（すなわち、並列尾根や溝）を適用するTAPSを使用している。これらを作成するために、我々は、0.5"径のデルリンプラスチック円筒棒、3"長いから始まった。 Sherlineフライス盤を使用して、我々は長い間正方形断面のシャフト（8.7 × 8.7 mm）の"2で、長い"2.75ロッドを切断し、0.75" - 長い間、12.74ミリメートルの直径の丸い円筒形のヘッド。私たちはその後、溝を粉砕刺激のサーフェスを作成するために丸顔で、各刺激の面では同じ尾根や溝の幅を持っています。我々が0.25から0.15 mm単位で3.10ミリメートルまでの溝幅を持つ作品を作った。我々はこれらの20の溝幅のそれぞれに2つの同一の刺激のピースを作った、合計40個で、その結果我々は、各溝の幅が縦（指の長軸に平行）と水平方向の両方で表現されているようなディスクの正方形のスロットにピースを挿入する（指の長軸に対して横方向に）方向。

図3。刺激ピース。各刺激の表面は、0.5インチ径デルリンロッドの顔に粉砕される。ロッドのベースは、それが回転するディスクの四角い切り欠きにカチッと収まるようにできるように、正方形の断面を持つようにカットされます。示すように、作品の表面には、同じ幅の平行な溝と隆起で、方形波格子です。

V.コンピュータ制御

TAPSは、完全に自動化、コンピュータ制御システムです。多くのコンピュータハードウェアとソフトウェアの構成は、デバイスを制御するために使用することができる。我々は現在、LabVIEW 6.1の（ナショナルインスツルメンツ）実行しているMacintosh G3を使用してください。コンピュータは、アクチュエータとディスクのモーターを命じるために、そして家庭のセンサーとリミットスイッチを読み取るためにステッピングモータドライバとモータコントローラボードを介して通信します。 PCIデータ集録ボードは、力センサと被験者の応答ボタンを読み取ります。

viの。力とタイミングの制限事項

力レンジ：私たちは10から50グラムまでの力で刺激を提供するためにTAPSを使用している。私たちは、コンポーネントでその摩擦は約5グラムの下の力で刺激の配信を妨げる、といくつかの機械的不安定性が約100グラムを超える力のために生じることだと思う。

間刺激間隔（ISI）：刺激の面と指の間の距離、およびリニアアクチュエータとディスクステッピングモータの安定した速度は、一緒にデバイスが達成できるISIの下限値を設定します。我々は、約1.5秒で、この制限値を推定する。したがって、デバイスは、1秒以下ISIを必要とするマスキング実験、などの用途には適していません。

3。実験を実施

ベイズ適応トラッキング付きの2区間強制選択（2 - IFC）グレーティングの方位のタスク（GOT）：ここでは、TAPSを使用できるための一つのプロトコルを説明します。 TAPSは、同様に他の多くの心理物理学のプロトコルのためにプログラムすることができます。我々は、階段の追跡^1,2とし、恒常法と2 - IFCの実験を実施する以前にそれを使用している。もちろん、それはyes / noの手順と同様に2 - IFCを実施しないことがあります。

2 - IFCは、タスクをGOTのために、我々は、4 cm /秒発症の速度、50 gmの接触力、および1秒の接触時間と指の遠位パッドに連絡して方形波格子を使用してください。同一の溝幅の格子を持つが、方向に90度の異なる：各試験には2つの連続した​​刺激のプレゼンテーション（2秒ISI）で構成されています。指の長軸に、つのプレゼンテーションでは、溝が（パラレル）、垂直方向に配置され、そして他に、水平（横）。刺激の順序は、コンピュータプログラムによってランダムに選択されます。被験者は、非テスト手で2つのボタンのいずれかを押すことにより、水平方向、最初または2番目の間隔内で発生したかどうかを示します。ベイズ適応方法は、gを調整試験から臨床試験へroove幅。

我々 PSI（Ψ）メソッドを、ベイズ適応アルゴリズム³の修正バージョンとプログラムされたTAPS。このメソッドは、このような階段の方法として、従来の適応方法に比べていくつかの利点があります。最初に、PSIメソッドだけではなく精神測定関数（例えば、2 - ダウン1アップ階段で推定71％しきい値）上の単一のポイントが、全体心理測定関数を推定。第二に、方法は、心理測定関数のパラメータのベイズ事後確率分布を（および、それによって信頼区間）が得られます。最後に、このメソッドは効率的です。それは、メモリ内に可能な心理測定関数の形状、数千を保持し、各応答の後に各関数の事後確率を更新します。その後、次の刺激を選択することが期待されるエントロピー最小化の手順を使用して、つまり、それは情報利得を最大化すると予想される各試行での刺激を選択する。

Kontsevichとタイラー^{3に従って} 、我々は、刺激のレベルの電力の関数としてD -プライムモデル化し、各被験者の心理測定機能- P _C（x）は、刺激のレベル、xの関数として、適切な応答の確率-の混合物として累積正規（プロビット）関数と解約失効率の期間：


ここで、しきい値（76％正しい応答の確率、D -プライム= 1に対応する刺激のレベル）であり、a と b は、被験者の心理測定関数の傾き、です。

我々は、未知の値のパラメータとして、解約失効率（デルタ）を処理することにより、Ψのアルゴリズムを変更し、それぞれの試験の後に"推測ベイズ因子を"計算することにより：


このベイズ因子は、被験者が被験者の心理測定機能を持っていることを、仮説2の下でデータの確率に、推測されていること、仮説1に基づくデータの確率を比較する尤度比である。分母は、対象者のデータの確率である、D（提示溝の幅のそれぞれで正しいと誤った応答が）対象は、単に最大と現在の試験を含むすべての試験で（50％の確率正しい）推測されていることを考える。分母は、被験者の心理測定関数のアルゴリズムの最良推定値を与えられたデータの確率です。テストブロックが進むにつれて我々の経験では、ほとんどの若年者のためにベイズ因子は、急速に被験者のパフォーマンスが心理測定関数に準拠していることを示す、ゼロに近づく。一部の古い被写体によっては、ベイズの要因は、被験者がタスクを実行できないことを示す、一つ以上に上昇する。 TAPSは、推測ベイズ因子は、臨床試験の指定した回数のしきい値を超えた場合、テストブロックを終了するようにプログラムすることができます。

4。結果

図4は、2 - IFC GOTの実験から40試験で構成される実験的なブロックを示しています。この40試験ブロックは、1秒接触時間と、単一の試験で接点間に2秒ISIで、被験者の右中指に80の刺激から成っていた。対象者の76パーセント正しいしきい値は、しきい値パラメータの事後確率密度関数（PDF）（パネルC）のモードで示される1.7ミリメートルであった。 1.9ミリメートル - 後部PDFの幅で示される対象のしきい値パラメータ、、の95％信頼区間は1.3であった。

右中指にこのケースで適用される40の試験から構成される図4。2インターバル強制選択の格子の向きのタスクからの結果。A.実験的なブロック、。異なる溝の幅で、被験者の正しい（プラス記号）と間違って（白丸）の応答は、試験の数に対してプロットされています。ベイズ適応方法は、（テキストを参照）被験者のパフォーマンスに基づいて、適用する溝幅の配列を決定した。B.この主題に最も適した精神測定関数。C.事後確率密度関数被験者の76％を正しい溝幅（心理測定関数D -素数= 1に対応するパラメータ、）。

Discussion

空間的に構造化された機械的刺激の制御された送達は、市販の機器（コンピュータ画面、オーディオスピーカー）を使用することのできる視覚または聴覚刺激、の配信に直面していない課題ポーズ。このような理由から、多くの触覚心理物理実験は依然として手動刺激の配信を使用して行われます。

触覚刺激のマニュアル配信は時間がかかる、と研究者の一部に細心の注意と集中力を必要とします。皮膚に対して垂直の変形の約1〜2 mmの手動アプリケーションが使用された"こと例えば、Bleyenheuftら⁴レポート...審査官は、皮膚と対策を歪める可能性が格子の間の任意のせん断応力を避けるために特に気配りだった。 .."手動の刺激の配達は比較的遅いと集中集約的であるなどの理由で、この方法を使用して多くの研究は、はい/いいえ（トライアルごとに1つの刺激）ではなく、二区間強制選択プロトコルを採用していない。

残念なことに、細心の注意が取られている場合でも、手動の刺激の配信は、多くの刺激のパラメータが制御されていないまま。これらのパラメータは、刺激の力、発症の速度、期間、および皮膚における刺激の表面の安定性が含まれています。これらのパラメータのうち、おそらくパフォーマンス上の影響力に関して最も研究は、刺激の力です。人間は、500から1200ミクロン⁵からのインデントの深さの変化に応じて指先で格子の方向弁別における漸進的な改善を示し、それ以上の改善は50グラムと200グラム^6の間観察されないものの、パフォーマンスは、50グラムフォース¹よりも10グラムの力で優れています。このような格子の検出（溝加工からスムースを区別する）などの他のアプリケーションの場合は、力の増加は有意に10〜200グラム^2,6の範囲全体に渡ってパフォーマンスを向上させる。

手動のテストに関連するこれらの課題を克服するために、我々は、自動化システム、TAPSを開発した。建物のTAPSの私たちの目的は、制御された触覚刺激アプリケーションのための、シンプルで安全な、汎用性、効率的かつ手頃な価格のデバイスを作成することでした。重力の制御を使用するには、触覚刺激を適用する簡単で安全な方法です。皮膚に対する力は重力に起因することを超えることができないので安全性は、確保されている。強力なリニアアクチュエータは、皮膚の上に重力の力を転送するし、連絡先を撤回するのに役立つ。それはあらゆる刺激の面を収容するようにデバイスは、汎用性のある半イン​​チ径ロッドの両端（または上に接続されている）に加工し、心理物理学のさまざまなプロトコルを実行するようにプログラムすることができます。 TAPSは、それが急速に刺激を展開すると、効率的であり、適応アルゴリズムを時間節約実行することができます。最後に、TAPSのコンポーネントは、小さな助成金の保有者に手頃な価格です。モータは、約1500ドルの費用が、電気部品（コンピュータを除くが、PCIボードとステッピングモータドライバを含む）、約6000ドル。ミニフライス盤および付属品は約1,000ドル購入す​​ることができる、または専門の機械工は、工場への刺激のピースを雇用し、その他の小さな部品を作ることができます。

我々は、このシステムは他のユーザーによって複製されることを期待、そして近年では進展^5,7,8,9を有望見ている制御された触覚のテスト、に向けた動きを促進する役割を果たす。

Materials

Material Name	Type	Company	Catalogue Number	Comment
Name	Company	Catalog Number	Comments
Delrin plastic rods 0.5” diameter 3” long		Small Parts	ZRD-08	Rods from which the stimulus pieces are made
Chrome-steel bearing, 0.5" bore diameter		Small Parts	BR-08-01	Pivot for the rotating rod
Plastic bearing, 0.5” bore, 1.125” outer diameter, 0.25” thick		Small Parts	BRP-08-01	Wheel at end of rotating rod
Fiberglass curtain, 0.75” thick		McMaster-Carr	9781T83	Sound absorbing curtain around lower table
Silicone O-rings 5/16" inside diameter		McMaster-Carr	AS568A- 011	To reduce vibration of stimulus pieces
Anti-Vibration Pads 2"x 2", 93 PSI max		McMaster-Carr	60105K61	Put under the linear actuator
Rubber sandwich mounts 1/2" H x 3/8" W		McMaster-Carr	9378K11	Put under linear actuator base
Stepper motor Nema 23, 3-stack		Industrial Devices	S23	For rotating the stimulus disk
Linear rodless actuator		Industrial Devices	R2S23N-105A-18-l-M35M	To control rotating bar movement
1 Hall effect switch “normally open” config.		Industrial Devices	RP1	Actuator home sensor
2 Hall effect switches “normally closed” config.		Industrial Devices	RP2	Actuator limit sensors
Micro switch		Honeywell	FSG15N1A	Finger force sensor
Retro-reflective sensor		Honeywell	FE7B-RB6VG-M	Piece position sensor
Motor controller board, closed-loop control		National Instruments	PCI-step-4CX	Mediates communication between computer and Nudrive
Nudrive stepper motor driver		National Instruments	Nudrive 4SX-211	Sends command voltages to the linear actuator and disk stepper motors
Data acquisition board		National Instruments	PCI-MIO-16E-1	Reads finger force sensor
LabVIEW		National Instruments		Programming language
Valuemotion library		National Instruments		Motor control routines
Photoelectric sensor		Panasonic	PM-K53-C1	Disk home sensor
Mini milling machine		Sherline	2010-DRO	For machining the stimulus surfaces
Ohaus precision mass set		Edmund Scientific		Mass on rotating bar
Parrish Magic Line aluminum cake pan bottom, 9” diam.		Sur La Table		Rotating disk machined with square cut-outs to hold the stimulus pieces