主动式人体电流感觉阈值的测量方法研究
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1 0. 29 0. 29 0. 31 0. 24 0. 29 0. 34 Ⅰ 2 0. 29 0. 29 0. 25 0. 27 0. 29 0. 28
3 0. 29 0. 29 0. 34 0. 29 0. 28 0. 29 4 0. 34 0. 29 0. 34 0. 28 0. 33 0. 34
① 收稿日期 :2004202227 基金项目 : 973 重大基础研究前期研究专项 (2002CCA01800) 教育部留学回国人员启动基金. 作者简介 : 姚海锋 (1977 - ) ,男 ,硕士生 ,研究方向为智能医疗仪器和传感器 ,yaohaifeng @sina. com ; 李光 (1965 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事智能医疗仪器和传感器 ,神经信息学等 ,guangli @cbeis. zju. edu. cn.
主动式人体电流感觉阈值的测量方法研究①
姚海锋1 , 刘世龙1 , 李 光1 , 吴萍建2
1. 浙江大学生物医学工程系 ,杭州 310027 ;
2. Mediplus Development Co. , BVI. , UK
摘要 :主动式人体电流感觉阈值 (Current Perception Threshold 简称 CPT) 测量是一种对人体感觉神经功能进行定量评
人体感觉功能的变化和很多疾病存在着较大 的相关性 ,内分泌和代谢的异常 、机械压迫 、中毒 、 感染 、免疫缺陷和创伤等都可能引起感觉功能的异 常 (例如糖尿病 、腕管综合征等) 。因而 ,对感觉神 经功能的评估在临床医学上有十分重要的意义 。 但是用来进行感觉神经定量评估的仪器手段并不 多 ,目前最常用的是感觉神经传导速度检测 (Senso2 ry Nerve Conduction Velocity 简称 sNCV) 。sNCV 是一 种客观而有效的评估手段 。但是 sNCV 有很多的局 限性 。
定义为 :概率 50 %能感觉到的电流刺激强度值 。 这种测量方法的理论基础有三个方面 : 1) 心理物理学方法 ,主要给出了阈值的操作
定义和阈值检出算法的理论依据[4 ,5] 。 2) 神经生理和解剖学表明 ,外周感觉神经按
结构和直径大小主要分为三族 ,从功能上分管不同 感觉引起的冲动的传导 :人体对加热信号的感受主 要由最纤细的无髓鞘神经纤维 ( non - myelinated C fibre) 来传导 ; 感受到的致冷信号由最小的有鞘神 经 Aδ(myelinated Aδfibre) 来传导 ;而振动信号则由 较大的有鞘神经 Aβ(myelinated Aβfibre) 来传导 。由 此 ,采用不同的刺激模式 ,可以评估不同类型的外 周感觉神经族的功能[2 ,7] 。
觉到 ,减弱刺激强度 ;若为 F ,SF ,或 SSFF ,则认为没 有感觉到 ,增加刺激强度 。偶数次转折点的平均 值 ,即被认为感觉阈值 。在这种变化规则下 ,所得 阈值对应的正反应概率为 73136 %[4～6] 。UDTR 的 刺激变化规则流程如图 2 所示 。
S - Success 表示答对 ;F - Failure 表示答错 图 2 UDTR 刺激变化规则流程
UDTR 是计算机自动控制技术应用于心理物理 学测量的一种方法 ,是适应法的一种 ,又叫做变形 的上下法或变形的阶梯法 。UDTR 根据同一强度下 刺激和响应的关系 ,决定刺激强度的增减 ,它有多 种变化的规则 ,分别对应着不同的阈值的操作定 义 。这里采用的规则是 :在一个刺激强度上 ,重复 加以刺激 ,如果受试者回答序列为 SSS 或 SSFS(S = Success 表示答对 , F = Failure 表示答错) ,则认为感
测量方法的实现主要要解决两个问题 :1 、刺激
图 1 刺激定量控制框图
112. 2 信号的提取 ———阈值检出算法 阈 值 检 出 算 法 是 UDTR 规 则 和 FORCED
CHOICE 法的结合 。在同一刺激强度上 ,采用强迫 选择法 ;在刺激强度变化时 ,按照 UDTR 规则变化 。 这两种方法均以心理物理学方法作为理论基础 。
的时段测量 。测量均在晚上 18 :00～20 :00 。环境 保持安静 ,温度保持在 20 ℃左右 。测量中间充分休 息 ,减少疲劳效应的影响 。采用双盲实验 。测量的 结果如表 1 所示 ,其变化趋势用均值和方差表示 , 如图 3 所示 。
表 1 电流感觉阈值测量结果 (单位 :mA) 受试 受试
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 2 期 姚海锋 , 刘世龙等 :主动式人体电流感觉阈值的测量方法研究 22 9
2004 年 6 月 传 感 技 术 学 报 第 2 期
Research of Active Testing Method of Human Current Perception Threshold
YAO Hai2feng1 , LIU Shi2long , LI Guang1 , WU Ping2jian2
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
来自百度文库
2 30 传 感 技 术 学 报 2004 年
的定量控制 ;2 、信号的提取 ———阈值检出的算法 。 11211 刺激的定量控制
刺激施加在人体皮肤上 ,也就是系统的输出以 人体皮肤作为负载 ,而人体皮肤的参数变化是不稳 定的 ,对于电流刺激 ,人体皮肤的阻抗大小是不稳 定的 ,所以系统必须保证在人体皮肤阻抗变化的一 定范围内 ,电流的输出是恒定的 ,在一定精度内是 可控的 。
主动式人体电流感觉阈值 ( Current Perception
Threshold 简称 CPT) 测量是一种对人体感觉神经功 能完整性进行评估的新颖手段 ,它通过经皮施加定 量的电流刺激 ,接受人体的响应 ,按照心理物理学 原理 ,执行一定的算法 ,得到相对客观的人体电流 感觉的阈值 。
CPT 和 sNCV 相比具有以下区别 : ① CPT 有外 加能量介入 ,是一种主动式的的测量方式 ,sNCV 是 一种被动式的测量方式 ; ②CPT 对整个神经通路的 功能完整性进行评估 ,sNCV 对神经纤维的电生理 参数进行客观的测量 ; ③ CPT 可以测量从感受器 、 传入神经到中枢的完整的神经通路 ,而 sNCV 只能
FORCED CHOICE 法 是 信 号 检 测 理 论 ( Signal Detect Theory) 应用于心理物理学测量的一种方法 。 这里采用基于时间的双间隔强迫选择法 ( Two Alter2 native Forced Choice 简称 2AFC) 。基于时间的双间 隔强迫选择法 ,将连续给出两个刺激时间间隔 ,在 一个时间间隔上给出信号 ,另一个时间间隔上没有 信号 ,或称之为只有噪音 ,哪一个时间间隔上为信 号是随机的 ,让被试判断是在哪一个时间间隔上给 出了信号 。被试在选择时如果不能确定 ,也必须按 其认为最大可能性的间隔选择一个 。分别用两个 灯提示两个时间间隔[3～5] 。
由上面的比较可以看出 ,在感觉神经功能的评 估上 ,sNCV 有很多的局限性 ,而主动式人体电流感 觉阈值的测量方法则具有很多的优势 。而且 CPT 方便 、廉价 、操作简单 ,所以这种方法具有很好的应 用前景 。
我们研究了主动式人体电流感觉阈值测量的 测量方法 ,并实现了一套完整的测量系统 ,通过临 床实验来验证这种测量方法的有效性 。
估的新颖手段 。CPT 与现有手段 sNCV 相比所具有的优势 ,说明了 CPT 的基本原理和实现方法 ,实验结果表明 ,人 体电流感觉阈值测量系统 ,对于同一被试具有很好的可重复性 ,并有无创 ,方便的特点 ,有很好的应用前景 。
关键词 :电流感觉阈值 ; 感觉神经 ; 定量感觉测试 中图分类号 :R745 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 1699 (2004) 02 - 0228 - 04
测量有限的一段外周神经纤维 (手臂或者腿部) ; ④ CPT 测量涵盖了小的无鞘的神经纤维 ,小的有鞘的 和大的有鞘的感觉神经纤维 ,在所有的感觉神经纤 维中占 90 %左右 ,而 sNCV 只能测量大的有鞘的感 觉神经纤维 ,在所有的感觉神经纤维中只占 10 %左 右 。 ⑤CPT 是无创的 , sNCV 是有创的 ; ⑥ CPT 可 以观察到从病变早期感觉神经过敏 ———阈值降低 , 到晚期感觉神经迟钝 ———阈值抬高整个过程 , 而 sNCV 则要到晚期感觉神经迟钝时才能观察到生理 参数的变化 。[1 ,2]
图 1 是刺激定量控制的框图 。首先是 CPU 依 据正相开环时其控制信号和恒流输出之间确定的 对应关系送出信号 ,然后 CPU 根据反馈信号对输 出电流进行调整 ,实现刺激一定精度范围内的可 控 ,而恒流环节则保证了输出电流大小与人体皮肤 阻抗无变化 ,并且波形稳定 。
1 方 法
111 基本原理 按心理物理学的操作定义 ,人体电流感觉阈值
1. Department of Biomedical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China ; 2. Mediplus Development Co. , BVI , UK
Abstract : Active testing of human current perception threshold (CPT) is a new method for evaluating the function of human sensory nerve. This paper reviews the advantages of the CPT method compared to the sNCV and also describes the principles and how to implement the CPT system. Experiments utilizing the CPT system for human current percep2 tion threshold testing was performed. The result and analysis of the experiments illustrate that the CPT system can ob2 tain repeatable data for one subject . And the testing procedure is non2invasive and easy to operate. Key words : current perception ; threshold ; sensory Nerve ; quantitative sensory testing
3) 大量临床研究表明 ,选择合适的电流频率 可以刺激不同的外周感觉神经族 。5 Hz ,250 Hz , 2 000 Hz 的正弦交流电流刺激引起的神经冲动分 别由上述三族不同大小的神经 C 纤维 , Aδ纤维和 Aβ纤维传导 。这些神经又分别对应着不同的感觉 模式 ,因此 ,用这些频率的正弦交流电流作为刺激 信号 ,就可以评估相应的外周感觉神经族的功能[1] 。 112 实现方法
1 0. 29 0. 29 0. 31 0. 24 0. 29 0. 34 Ⅰ 2 0. 29 0. 29 0. 25 0. 27 0. 29 0. 28
3 0. 29 0. 29 0. 34 0. 29 0. 28 0. 29 4 0. 34 0. 29 0. 34 0. 28 0. 33 0. 34
① 收稿日期 :2004202227 基金项目 : 973 重大基础研究前期研究专项 (2002CCA01800) 教育部留学回国人员启动基金. 作者简介 : 姚海锋 (1977 - ) ,男 ,硕士生 ,研究方向为智能医疗仪器和传感器 ,yaohaifeng @sina. com ; 李光 (1965 - ) ,男 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事智能医疗仪器和传感器 ,神经信息学等 ,guangli @cbeis. zju. edu. cn.
主动式人体电流感觉阈值的测量方法研究①
姚海锋1 , 刘世龙1 , 李 光1 , 吴萍建2
1. 浙江大学生物医学工程系 ,杭州 310027 ;
2. Mediplus Development Co. , BVI. , UK
摘要 :主动式人体电流感觉阈值 (Current Perception Threshold 简称 CPT) 测量是一种对人体感觉神经功能进行定量评
人体感觉功能的变化和很多疾病存在着较大 的相关性 ,内分泌和代谢的异常 、机械压迫 、中毒 、 感染 、免疫缺陷和创伤等都可能引起感觉功能的异 常 (例如糖尿病 、腕管综合征等) 。因而 ,对感觉神 经功能的评估在临床医学上有十分重要的意义 。 但是用来进行感觉神经定量评估的仪器手段并不 多 ,目前最常用的是感觉神经传导速度检测 (Senso2 ry Nerve Conduction Velocity 简称 sNCV) 。sNCV 是一 种客观而有效的评估手段 。但是 sNCV 有很多的局 限性 。
定义为 :概率 50 %能感觉到的电流刺激强度值 。 这种测量方法的理论基础有三个方面 : 1) 心理物理学方法 ,主要给出了阈值的操作
定义和阈值检出算法的理论依据[4 ,5] 。 2) 神经生理和解剖学表明 ,外周感觉神经按
结构和直径大小主要分为三族 ,从功能上分管不同 感觉引起的冲动的传导 :人体对加热信号的感受主 要由最纤细的无髓鞘神经纤维 ( non - myelinated C fibre) 来传导 ; 感受到的致冷信号由最小的有鞘神 经 Aδ(myelinated Aδfibre) 来传导 ;而振动信号则由 较大的有鞘神经 Aβ(myelinated Aβfibre) 来传导 。由 此 ,采用不同的刺激模式 ,可以评估不同类型的外 周感觉神经族的功能[2 ,7] 。
觉到 ,减弱刺激强度 ;若为 F ,SF ,或 SSFF ,则认为没 有感觉到 ,增加刺激强度 。偶数次转折点的平均 值 ,即被认为感觉阈值 。在这种变化规则下 ,所得 阈值对应的正反应概率为 73136 %[4～6] 。UDTR 的 刺激变化规则流程如图 2 所示 。
S - Success 表示答对 ;F - Failure 表示答错 图 2 UDTR 刺激变化规则流程
UDTR 是计算机自动控制技术应用于心理物理 学测量的一种方法 ,是适应法的一种 ,又叫做变形 的上下法或变形的阶梯法 。UDTR 根据同一强度下 刺激和响应的关系 ,决定刺激强度的增减 ,它有多 种变化的规则 ,分别对应着不同的阈值的操作定 义 。这里采用的规则是 :在一个刺激强度上 ,重复 加以刺激 ,如果受试者回答序列为 SSS 或 SSFS(S = Success 表示答对 , F = Failure 表示答错) ,则认为感
测量方法的实现主要要解决两个问题 :1 、刺激
图 1 刺激定量控制框图
112. 2 信号的提取 ———阈值检出算法 阈 值 检 出 算 法 是 UDTR 规 则 和 FORCED
CHOICE 法的结合 。在同一刺激强度上 ,采用强迫 选择法 ;在刺激强度变化时 ,按照 UDTR 规则变化 。 这两种方法均以心理物理学方法作为理论基础 。
的时段测量 。测量均在晚上 18 :00～20 :00 。环境 保持安静 ,温度保持在 20 ℃左右 。测量中间充分休 息 ,减少疲劳效应的影响 。采用双盲实验 。测量的 结果如表 1 所示 ,其变化趋势用均值和方差表示 , 如图 3 所示 。
表 1 电流感觉阈值测量结果 (单位 :mA) 受试 受试
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 2 期 姚海锋 , 刘世龙等 :主动式人体电流感觉阈值的测量方法研究 22 9
2004 年 6 月 传 感 技 术 学 报 第 2 期
Research of Active Testing Method of Human Current Perception Threshold
YAO Hai2feng1 , LIU Shi2long , LI Guang1 , WU Ping2jian2
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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2 30 传 感 技 术 学 报 2004 年
的定量控制 ;2 、信号的提取 ———阈值检出的算法 。 11211 刺激的定量控制
刺激施加在人体皮肤上 ,也就是系统的输出以 人体皮肤作为负载 ,而人体皮肤的参数变化是不稳 定的 ,对于电流刺激 ,人体皮肤的阻抗大小是不稳 定的 ,所以系统必须保证在人体皮肤阻抗变化的一 定范围内 ,电流的输出是恒定的 ,在一定精度内是 可控的 。
主动式人体电流感觉阈值 ( Current Perception
Threshold 简称 CPT) 测量是一种对人体感觉神经功 能完整性进行评估的新颖手段 ,它通过经皮施加定 量的电流刺激 ,接受人体的响应 ,按照心理物理学 原理 ,执行一定的算法 ,得到相对客观的人体电流 感觉的阈值 。
CPT 和 sNCV 相比具有以下区别 : ① CPT 有外 加能量介入 ,是一种主动式的的测量方式 ,sNCV 是 一种被动式的测量方式 ; ②CPT 对整个神经通路的 功能完整性进行评估 ,sNCV 对神经纤维的电生理 参数进行客观的测量 ; ③ CPT 可以测量从感受器 、 传入神经到中枢的完整的神经通路 ,而 sNCV 只能
FORCED CHOICE 法 是 信 号 检 测 理 论 ( Signal Detect Theory) 应用于心理物理学测量的一种方法 。 这里采用基于时间的双间隔强迫选择法 ( Two Alter2 native Forced Choice 简称 2AFC) 。基于时间的双间 隔强迫选择法 ,将连续给出两个刺激时间间隔 ,在 一个时间间隔上给出信号 ,另一个时间间隔上没有 信号 ,或称之为只有噪音 ,哪一个时间间隔上为信 号是随机的 ,让被试判断是在哪一个时间间隔上给 出了信号 。被试在选择时如果不能确定 ,也必须按 其认为最大可能性的间隔选择一个 。分别用两个 灯提示两个时间间隔[3～5] 。
由上面的比较可以看出 ,在感觉神经功能的评 估上 ,sNCV 有很多的局限性 ,而主动式人体电流感 觉阈值的测量方法则具有很多的优势 。而且 CPT 方便 、廉价 、操作简单 ,所以这种方法具有很好的应 用前景 。
我们研究了主动式人体电流感觉阈值测量的 测量方法 ,并实现了一套完整的测量系统 ,通过临 床实验来验证这种测量方法的有效性 。
估的新颖手段 。CPT 与现有手段 sNCV 相比所具有的优势 ,说明了 CPT 的基本原理和实现方法 ,实验结果表明 ,人 体电流感觉阈值测量系统 ,对于同一被试具有很好的可重复性 ,并有无创 ,方便的特点 ,有很好的应用前景 。
关键词 :电流感觉阈值 ; 感觉神经 ; 定量感觉测试 中图分类号 :R745 文献标识码 :A 文章编号 :1004 - 1699 (2004) 02 - 0228 - 04
测量有限的一段外周神经纤维 (手臂或者腿部) ; ④ CPT 测量涵盖了小的无鞘的神经纤维 ,小的有鞘的 和大的有鞘的感觉神经纤维 ,在所有的感觉神经纤 维中占 90 %左右 ,而 sNCV 只能测量大的有鞘的感 觉神经纤维 ,在所有的感觉神经纤维中只占 10 %左 右 。 ⑤CPT 是无创的 , sNCV 是有创的 ; ⑥ CPT 可 以观察到从病变早期感觉神经过敏 ———阈值降低 , 到晚期感觉神经迟钝 ———阈值抬高整个过程 , 而 sNCV 则要到晚期感觉神经迟钝时才能观察到生理 参数的变化 。[1 ,2]
图 1 是刺激定量控制的框图 。首先是 CPU 依 据正相开环时其控制信号和恒流输出之间确定的 对应关系送出信号 ,然后 CPU 根据反馈信号对输 出电流进行调整 ,实现刺激一定精度范围内的可 控 ,而恒流环节则保证了输出电流大小与人体皮肤 阻抗无变化 ,并且波形稳定 。
1 方 法
111 基本原理 按心理物理学的操作定义 ,人体电流感觉阈值
1. Department of Biomedical Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China ; 2. Mediplus Development Co. , BVI , UK
Abstract : Active testing of human current perception threshold (CPT) is a new method for evaluating the function of human sensory nerve. This paper reviews the advantages of the CPT method compared to the sNCV and also describes the principles and how to implement the CPT system. Experiments utilizing the CPT system for human current percep2 tion threshold testing was performed. The result and analysis of the experiments illustrate that the CPT system can ob2 tain repeatable data for one subject . And the testing procedure is non2invasive and easy to operate. Key words : current perception ; threshold ; sensory Nerve ; quantitative sensory testing
3) 大量临床研究表明 ,选择合适的电流频率 可以刺激不同的外周感觉神经族 。5 Hz ,250 Hz , 2 000 Hz 的正弦交流电流刺激引起的神经冲动分 别由上述三族不同大小的神经 C 纤维 , Aδ纤维和 Aβ纤维传导 。这些神经又分别对应着不同的感觉 模式 ,因此 ,用这些频率的正弦交流电流作为刺激 信号 ,就可以评估相应的外周感觉神经族的功能[1] 。 112 实现方法