CN100475130C - 振动触觉感知仪 - Google Patents

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CN100475130C CNB2005800366604A CN200580036660A CN100475130C CN 100475130 C CN100475130 C CN 100475130C CN B2005800366604 A CNB2005800366604 A CN B2005800366604A CN 200580036660 A CN200580036660 A CN 200580036660A CN 100475130 C CN100475130 C CN 100475130C
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Abstract

一种用于在对象的皮肤部位测试或筛选周围神经***疾病的装置包括：支撑装置，其用于支撑包含待测试的所述对象的所述皮肤部位的身体部分；具有接触元件的振动发生装置，其用于以一种方式定位在所述皮肤部位中以控制所述振动装置和所述皮肤部位之间的接触，所述振动发生装置以特定频率振动；连接到所述振动发生装置的频率发生装置，其用于将已知离散频率提供给所述振动发生装置；控制电路装置，在递升和递减模式中修改所述已知离散频率信号的幅度的；切换装置，其可由所述对象启动以向所述控制电路装置提供响应信号和响应所述已知频率信号的递升和递减幅度，所述控制电路装置具有处理装置以用于从所述响应信号获取平均阈值信号值，其特征在于用于将所述皮肤部位和所述接触元件之间的连续接触力保持在预定范围内的装置；所述装置包括发射器(4)和接收器(6)以用于测量所述发射信号的空间位置改变(10)，其中由微型计算机***(1)自动调整要求的DC电流(ic)，从而实现空间位置(10)的零偏移。

Description

振动触觉感知仪
技术领域
本发明总的来说涉及检测末梢神经中的感觉缺乏的装置，尤其涉及检测与手指或身体的其他部分中的神经***疾病有关的感觉缺乏的装置，本发明涉及在受试者的皮肤部位识别不同机械感受器的振动触觉感知阈值的方法和***，并且其中通过所述方法获得的结果阈值信号基本上没有误差或矛盾。
背景技术
长期以来，许多刺激测试用于检测很早期的感觉损伤，感觉损伤通常出现在糖尿病性神经***疾病和振动暴露所导致的神经***疾病中。这些测试例如包括：用于触觉感觉的“两点辨别”测试和用于接触/压力的单丝(monofilament)测试。然而，由于各种原因，已发现这些测试在神经***疾病的早期阶段是无效的。相反，手的振动感觉很早就在代谢或振动引起的神经***疾病中受损，所以发展了对手的振动感知的各种测试。然而振动测试的有效性取决于许多测试参数，例如频率，振动杆的尺寸或探头面积，并且很重要的是探头接触力。
测量技术包括：支撑包含待研究皮肤部位的身体部分，以及在受控接触条件下振动刺激皮肤表面，使得单一机械感受器群体调解在各种频率下的阈值。因此，本发明的主要目标是提供一种筛选或诊断***，以测量神经***疾病中感觉分布的范围或对治疗任何这样的感觉分布的任何响应。通常在感测患者的身体压力敏感现象的***中实现这些目标，所述***包括将受控和补偿振动力施加到患者的手指(或其他身体部分)的振动刺激器；连接到振动刺激器的有效振动的驱动机构。
在US5,002,065(LaCourse等人)中描述了一种方法，该方法关于通过利用闭环控制***如何在探头上实现良好受控的幅度和加速度。然而，这意味着幅度和加速度将不依赖于在振动探头上施加的接触力。使用的背压监视器测量振动探头上的加速度而不用对接触作用力进行任何考虑，这显著降低了测试可靠性。
在US5,443,211(Brammer等人)中，在振动探头上施加的接触力受到外部复杂的机械计数重量机构的控制，而不用实际测量接触作用力。在对测试环境不进行任何控制的情况下该复杂性增加了错误测试设置条件的可能性，即测量的振动触觉感知阈值(VPT)可能在毫不留意的情况下记录有错误的接触作用力，这降低了测试可靠性。
在专利US5,673,703中，Fisher等人描述了一种自动测试患者的振动触觉响应的装置。在所述发明的优选实施方式中，计算机用于控制***的操作并且记录和存储患者的响应。通过刺激探头的离轴旋转产生压痕和振动。计算机生成的频率调制信号用于控制马达，所述马达驱动刺激探头。该装置存在不足，原因是接触力的变化将影响马达速度(频率)刺激探头的幅度。由于低水平的控制机构和测试设置中，实际上用于产生探头运动的所述原理将测量精度和准度很低的振动触觉感知阈值(VPT)。因而检测的VPT将取决于不以任何方式受控的接触作用力强烈地变化，因此降低了测试可靠性。
在WO0059377A1(LaCourse等人)中通过测量施加在测试期间手指所处的围绕物的力直接测量接触作用力。该方法需要更复杂的测试设备并且所需的接触作用力与在没有任何围绕物的情况下进行测量相比要大得多。更高的接触力也将需要更强(更大)的振动器，从而耗费更多功率，这将进一步增加设备(器械)的物理重量和制造成本。
发明内容
本发明目的是为了提供控制和监视人的皮肤和振动探头之间的静态和动态接触力的装置。当为了获得精确测试条件(设置)以实现要求的测量精度而测量振动触觉感知阈值(VPT)时这是非常重要的。
本发明提出一种用于在对象的皮肤部位测试或筛选周围神经***疾病的装置，包括：支撑装置，其用于支撑身体部分，上述身体部分包含待测试所述对象的皮肤部位；具有接触元件的振动发生装置，其用于以一种方式定位在所述皮肤部位中，以控制所述振动发生装置和所述皮肤部位之间的接触，所述振动发生装置以特定频率振动；连接到所述振动发生装置的频率发生装置，其用于将已知离散频率提供给所述振动发生装置；控制电路装置，在递升和递减模式中修改所述已知离散频率信号的幅度；切换装置，其可由所述对象启动，以向所述控制电路装置提供响应信号和响应所述已知的离散频率信号的递升和递减幅度，所述控制电路装置具有处理装置，以用于从所述响应信号获取平均阈值信号值；还包括用于将所述皮肤部位和所述接触元件之间的连续接触力保持在预定范围内的装置；所述的用于将所述皮肤部位和所述接触元件之间的连续接触力保持在预定范围内的装置包括人体反馈设备和发射器(4)和检测器(6)，以用于测量所述发射信号的空间位置(10)改变，其中由微型计算机***(1)自动调整要求的DC电流(ic)，从而实现空间位置(10)的零偏移。
如上所述的装置，其中所述发射器(4)通过发光或通过发射电磁场工作，并且其中所述检测器(6)通过光电检测或通过磁场感测工作。
如上所述的装置，其中用于保持所述皮肤部位和所述振动发生装置之间的连续接触力的装置由反馈力补偿单元自动化控制。
如上所述的装置，其中通过从加速计读取实际加速度记录振动触觉感知阈值。
如上所述的装置，其中人体反馈设备(9)使用基于光的反馈原理；LED或灯阵列；闪光LED或灯或图形或数字显示器。
如上所述的装置，其中在整个测试之前和期间在所述皮肤部位测量温度。
附图说明
图1；力控制***，其公开了微型计算机***(1)，该微型计算机***包括微处理器和带有AD和DA转换器的接口电子设备；进一步公开了放大器(2)，其放大来自微型计算机***(1)的模拟信号，放大信号驱动电动振动器(3)。所述振动器(3)是带有附连探头(8)的电动设备，当将电流或电压施加到所述设备时所述探头移动。发射器(4)；一种发射设备，其发射某种类型的信号。该信号可以是光束(光)或电场或磁场。孔隙(5)；一种设备，例如孔或透镜，其限制或聚焦空间中的发射信号。孔隙是可选的并且如果发射信号足够窄的话就不需要。检测器(6)；一种设备，其通过以适当方式测量来自发射器(4)的发射信号检测振动探头(8)的静态或动态空间位置。人的皮肤/身体部分(7)；人体部分，例如手指或脚趾，用力F将其压靠在振动探头(8)上。振动探头(8)；一种探头，其固定连接到电动振动器(3)中的移动部分，例如膜。人体反馈设备(9)；一种设备，其由微型计算机***(1)使用以报告力F所导致的位置位移。空间位置(10)；关于固定参考点(原点)的空间位置。
图2；显示了力和空间位置，其中ic是通过电动振动器(3)的电流，Fc是供应给电动振动器(3)的电流ic所产生的探头力，Fs显示了电动振动器(3)内部的探头偏移所产生的弹簧力，m是电动振动器(3)中的运动质量(探头+膜)，Fm是作用于运动质量(m)上的重力，F是校准力(重量)或来自身体部分的压力所导致的外力，并且x是关于固定参考点(原点)的空间位置(10)。
图3；显示了非平衡***中所需的检测器信号，其中x1是空载***(x1)的空间位置(10)，xcal是当校准重量安装在振动探头(8)上而不加入DC电流(ic)即ic＝0时的空间位置(10)。
图4；显示了平衡***中所需的检测器信号。
具体实施方式
定义，缩写和简称
在本申请和发明的上下文中应用以下定义：
VPT   振动触觉感知阈值(Vibrotactile Perception Threshold)
RFD   要求力位移(Requested Force Displacement)
RF    要求力(Requested Force)
CF    接触力(Sensibility Index)
SI    灵敏度指数(Sensibility Index)
rms    均方根(Root Mean Square)
描述
本发明涉及筛选或诊断测试装置，用于周围神经***疾病的所述筛选的***和方法。在其最基本的形式中，所述装置包括具有开口的表面，围绕物，围绕用于振动杆的所述开口布置，所述振动杆布置在所述开口中以用于与指腹或其他身体部分接触。优选的装置包括用于感测身体部分施加在探头上的压力的压力传感器以保证施加于身体部分的压力在特定范围内，包括用于保证与身体部分的所述连续接触的装置。
检测原理；由患者通过将待检查的身体部分(7)压靠在振动探头(8)上产生接触力(F)。患者通过根据“人体反馈设备(9)”所提供的输出上的读数调整力(F)来控制作用力(F)。然后当“人体反馈设备(9)”提供预定条件，例如正确颜色、声音、数值等时施加正确力(F)。
通过作为力(F)所导致的静态位移测量振动探头上空间位置(10)的变化来间接测量作用力(F)。由于振动探头安装在弹簧支撑机械结构中，因此任何位移以线性方式对应于特定力。所以位移将是作用力的间接度量，即可以通过测量空间位置(10)出现的静态位移计算力(F)。
空载电动振动器(3)，即不带有外部作用力(F)的电动振动器(3)可以通过加入公知的力，即要求力(RF)，例如“校准重量”进行校准。空载电动振动器(3)出现的位移，即带有和不带有“校准重量”的探头的空间位置(10)的差异，于是将对应于特定力。
“校准重量”所导致的位移被表示为“要求力位移”(RFD)。在正常操作期间RFD可以被用作在完整的测试周期期间应当保持的要求绝对静态偏移。
RF以下或以上的接触力(F)将在“人体反馈设备(9)”上被分别呈现为“过低值”或“过高值”。在“人体反馈设备”(9)上，RFD例如可以在条线图阵列上显示为中心值。
位移由检测器(6)测量，所述检测器检测从穿过可选孔隙(5)的发射器(4)发出的信号。这些物品中的一个或两个，即发射器(4)或孔隙(5)或检测器(6)可以直接位于振动探头(8)上，然而至少一个物品应当在空间上固定。
来自检测器(6)的输出信号对应于探头(8)的空间位置(10)。该信号可以被处理，例如被滤波，然后在微型计算机***(1)中被转换成数字信号(DA转换)。数字信号由微型计算机读取，所述微型计算机是微型计算机***(1)的一部分。微处理器比较接触力(F)所导致的读出数字信号和校准力(RF)所导致的信号的先前存储值，并且输出“人体反馈设备”(9)上的差异。
除了保持空间位置(10)的校准静态偏移，可以通过将电流信号中的覆盖校准DC电流(ic)施加到电动振动器(3)以产生超过偏移。这将产生相反力(Fc)以超过外部作用力(F)，当正确静态力(F)由人体部分(7)施加时所述相反力将导致空间位置(10)的零静态偏移。
校准DC电流(ic)可以在微型计算机***(1)中产生，在那里由放大器(2)放大信号之后控制电动振动器(3)。首先通过当***空载，即不带有任何接触作用力(F)时，测量空间位置(10)来校准***。然后当***仍然空载，即除了校准重量外确定没有附加力(F)时，将“校准重量”安装在探头(8)上。由微型计算机***(1)自动调整需要的DC电流(ic)，从而实现空间位置(10)的零偏移，即当空间位置(10)与当没有“校准重量”安装在探头(8)上相同时。在零偏移测量施加的DC电流(ic)并且值永久存储在微型计算机***(1)中。
在正常操作期间存储的校准DC电流(ic)被加入至电动振动器(3)的电流信号。人体部分(7)所产生的接触力(F)将导致检测器(6)所测量的静态位移，所述检测器检测从穿过可选孔隙(5)的发射器(4)发出的信号。这些物品中的一个或两个，即发射器(4)或孔隙(5)或检测器(6)可以直接位于振动探头(8)上，然而至少一个物品应当在空间上固定。
当空间位置(10)的测量静态位移为零时接触力(F)等于校准重量。小于、等于或大于校准重量的接触力(F)然后将分别在“人体反馈设备”(9)上被呈现为“过低值”，等于或“过高值”。在“人体反馈设备”(9)上，接触力(F)例如可以显示在条线图LED阵列上。
在正常操作期间，即当VPT’s被记录时，从检测器(6)测量空间位置(10)信号。该信号可以在微型计算机***(1)中以任何方式被处理，例如低通滤波。来自检测器(6)的滤过信号将看上去有些类似于下面的图3或图4中所示，这取决于用于监视患者(7)所施加的静态皮肤力(F)的选择方法。在这些图中，x1对应于空载***的空间位置(10)并且xcal对应于当校准重量安装在不带有增加DC电流的振动探头(8)上时的空间位置(10)。
优选地，通过从直接安装在振动探头(8)上的加速计传感器读取实际加速度来记录VPT。为了增强精度，同样重要的是记录当前皮肤温度，原因是VPT随着该参数变化。在测量期间或者至少在开始时，即刚好在测量开始之前可以连续地测量皮肤温度。可以用例如安装在振动探头(8)上或测量设备上其他地方的独立位置中的温度传感器测量温度。
在测量之前设备应当执行自校准以确保满足要求的开始条件。该校准应当至少包括空间位置(10)的修正，即频率控制，用于确保使用的频率在某些限度内工作，和背景(振动)噪声的测量。另外最大和最小可记录的幅度和加速度可以在自校准期间进行测量。
“人体反馈设备”(9)用于将测量状态报告给操作者和待测试的患者。在测量之前设备(9)应当告知设备何时准备就绪(校准完成)。在测量期间设备(9)应当显示皮肤接触作用力(F)的状态，即力太高，太低还是在要求的限度内。使用的“反馈原理”例如可以是：通过使用带有不同颜色的LED/灯阵列产生的光，带有不同闪光频率的闪光灯或LED或某种类型的数字或图形显示器产生的光，来显示状态。可听反馈信号(扬声器或耳机)也可以用作“人体反馈设备”(9)，其中不同频率和/或幅度的组合用于代表状态。
如果皮肤接触作用力(F)在要求的限度之外，即当力太高或太低时，作为附加特征也有可能自动补偿记录的VPT。
对于该情况，通过检测器(6)读取的实际空间振动幅度(平均值)用于补偿错误接触力(F)。如果皮肤接触作用力(F)在平衡***中太低(图4)，则空间位置(10)的测量平均值(X)大于图4中的X1。然后可以将偏移X-X1转换成特定加速度偏移值，其应当被加入到读出的加速度以便获得补偿VPT。如果皮肤接触作用力(F)在平衡***中太高的话相同原理也将适用。在所述情况下读出的偏移值(X-X1)将是负的，其对应于负加速度偏移。读出的加速度然后应当减去相应转换的负加速度偏移以便获得补偿VPT。完整测试周期包括以下步骤：
1.操作者例如通过按压开始按钮或向设备输入开始命令开始测量。
2.设备以自校准开始，自校准显示在“人体反馈设备”(9)上。当自校准完成时“人体反馈设备”(9)报告测量条件准备就绪。
3.待检查患者将适当的身体部分例如手指作用在振动探头(9)上，而
“人体反馈设备”(9)报告皮肤作用力(F)。在该阶段振动探头(8)上的集成温度传感器可以测量皮肤温度。备选地可以在身体部分放置到振动探头(8)上不久之前用不同方式测量温度。
4.当皮肤作用力在要求的限度内时，探头开始以预定的递升序列振动。
5.当患者感觉到振动时，他/她按压外部按钮，这将把振动切换到递减序列。在递减序列期间患者继续按压外部按钮直到他/她不再感觉到任何振动。
6.当患者释放外部按钮时，即当他/她不再感觉到任何振动时，设备将切换回递升序列并且程序再次跳回到第5点，等等，直到完整测试序列完成。完成的测试序列包括根据明确的方案实现的振动频率变化。
7.当对于所有要求频率来说已记录VPT’s时振动刺激停止。记录的VPT’s然后可以与来自健康者的正常数据比较。结果例如可以作为SI值报告给操作者，SI值是分辩患者是否健康的绝对数值，即在神经***疾病方面。
在测试周期期间根据以上的第5和第6点通过读取空间位置(10)连续监视皮肤接触作用力。读出的空间位置(10)被转换成接触力(F)，该接触力连续显示在“人体反馈设备”(9)上。患者读取输出并且因此调整接触力(F)。如果患者并不进行任何调整或者如果进行的调整不充分则设备可以计算内部补偿以调整记录VPT。VPT’s作为在递升和递减周期期间读取的最大和最小加速度的平均值(rms值)被记录。
非平衡***
当由患者(7)施加正确接触力(F)时，空间位置(10)信号中dc分量的偏移应当等于(x1-xcal)。如果测量的偏移较高，则患者必须减小皮肤作用力(F)，反之亦然，即如果偏移太低，则增加皮肤作用力(F)。使用该方法在驱动电动振动器(3)的电信号中没有必要加入DC电流分量(ic)。
平衡***
将dc电流(ic)加入到驱动电动振动器(3)的电信号。当该电流(ic)被加入时和当正确接触力(F)由患者(7)施加时，空间位置(10)信号中的dc分量应当等于x1，其对应于零静态偏移。如果测量空间位置(10)小于x1，则患者必须减小皮肤作用力(F)，反之亦然，即如果空间位置(10)大于x1则增加皮肤作用力(F)。
空间检测
可以用许多方式测量空间位置(10)，但是基本原理是当人体部分(7)在探头(8)上施加力(F)时移动振动探头(8)。空间位置(10)和随后的运动将改变来自发射器(4)的信号并且检测器(6)测量发射信号的该空间改变。在这方面发射器(4)可以直接安装在振动探头(8)上而检测器(6)固定在空间中。备选地检测器(6)可以直接安装在振动探头(8)上而发射器(4)固定在空间中。作为第二选择发射器(4)和检测器(6)两者都固定在空间中，而孔隙(5)直接安装在振动探头(8)上。发射器(4)和检测器(6)的组合形成可以使用不同技术的配对并且一些例子是：
发射器(4)            检测器(6)
发光二极管，LED      位置敏感检测器(PSD)
LASER二极管          位置敏感检测器(PSD)
发光二极管，LED      光检测器(PSD)
LASER二极管          光检测器(PSD)
永磁体磁        场传感器
电磁体磁        场传感器

Claims (6)

1.一种用于在对象的皮肤部位测试或筛选周围神经***疾病的装置，包括：支撑装置，其用于支撑身体部分，上述身体部分包含待测试所述对象的皮肤部位；具有接触元件的振动发生装置，其用于以一种方式定位在所述皮肤部位中，以控制所述振动发生装置和所述皮肤部位之间的接触，所述振动发生装置以特定频率振动；连接到所述振动发生装置的频率发生装置，其用于将已知离散频率提供给所述振动发生装置；控制电路装置，在递升和递减模式中修改所述已知离散频率信号的幅度；切换装置，其可由所述对象启动，以向所述控制电路装置提供响应信号和响应所述已知的离散频率信号的递升和递减幅度，所述控制电路装置具有处理装置，以用于从所述响应信号获取平均阈值信号值，其特征在于：还包括用于将所述皮肤部位和所述接触元件之间的连续接触力保持在预定范围内的装置；所述的用于将所述皮肤部位和所述接触元件之间的连续接触力保持在预定范围内的装置包括人体反馈设备和发射器(4)和检测器(6)，以用于测量所述发射信号的空间位置(10)改变，其中由微型计算机***(1)自动调整要求的DC电流(ic)，从而实现空间位置(10)的零偏移。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述发射器(4)通过发光或通过发射电磁场工作，并且其中所述检测器(6)通过光电检测或通过磁场感测工作。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中用于保持所述皮肤部位和所述振动发生装置之间的连续接触力的装置由反馈力补偿单元自动化控制。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其中通过从加速计读取实际加速度记录振动触觉感知阈值。
5.根据权利要求1或2所述的装置，其中人体反馈设备(9)使用基于光的反馈原理；LED或灯阵列；闪光LED或灯或图形或数字显示器。
6.根据权利要求1或2所述的装置，其中在整个测试之前和期间在所述皮肤部位测量温度。
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