《Scientific Reports》：Design of a testbed for mechanical and thermal stimulation in somatosensory studies
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為解決傳統人體體感系統測試技術重復性和準確性低的問題，研究人員開發新型機電測試平臺。通過對 12 名志愿者測試，該平臺能精準識別機械（MIT、MPT）和熱（TWST、THPT、TCST、TCPT）無害及疼痛閾值，提升實驗準確性和重復性，助力相關研究。
在生命科學和健康醫學領域，人體體感系統一直是研究的熱點，但其中機械和熱刺激的轉導機制卻如同神秘的謎題，尚未完全解開。當前，研究人員主要聚焦于確定機械和熱刺激的閾值，然而在探索過程中卻困難重重。傳統的測試設備，比如馮?弗雷細絲（Von Frey filament），雖在機械閾值識別方面被視為 “黃金標準”，但它手動操作的方式使得刺激的施加高度依賴實驗人員，無論是實際施加的力、速度還是位置，都難以保證穩定，重復性極差，而且刺激只能是離散的，刺激面積也會隨所需力的變化而改變。手持壓力測痛儀雖能提供連續可測的刺激，但手動操作的弊端依舊存在。在熱刺激測試方面，常用的基于珀爾帖（Peltier）效應的設備，刺激面積較大，無法精準聚焦于特定區域，難以滿足對一些局部病變研究的需求。此外，現有設備大多無法在同一平臺集成機械和熱刺激功能，使得在同一實驗中進行多種刺激研究變得極為不便。
為了突破這些困境，來自羅馬生物醫學大學校園高級機器人與以人為中心技術實驗室（Laboratory of Advanced Robotics and Human-Centred Technologies - CREO Lab）的研究人員展開了深入研究。他們研發出一種新型機電測試平臺，旨在解決傳統技術的諸多不足。這一研究成果發表在《Scientific Reports》上，為體感研究領域帶來了新的曙光。
研究人員在開發這個測試平臺時，運用了多種關鍵技術方法。首先，構建了高精度的 3 軸自動化定位系統，該系統能夠精確控制機械和熱刺激的位置，其分辨率高達 0.5μm，最大速度為 20mm/s ，負載能力達 50N，極大地提升了刺激的空間重復性。其次，機械刺激器選用 Aurora Scientific 公司的 300 C Dual Mode 系統設備，并進行針對性改造，可實現力控或位置控制，能提供高達 5N 的力，分辨率達到 1mN ，還配備了可更換的小尺寸刺激尖端（直徑 0.5 - 3mm），保證刺激區域固定且精準。熱刺激器則基于珀爾帖元件定制，連接特制鋁制尖端（直徑 3mm），通過 ThermoElectric Cooling（TEC）控制器精確調控溫度，控溫范圍為 5 - 60°C。同時，還開發了定制的用戶界面，方便實驗人員設置各種刺激參數，實現自動化實驗操作。
下面來看具體的研究結果：
- 機械閾值識別：研究人員對 12 名健康志愿者（6 名女性和 6 名男性，年齡 27.5 ± 2.2 歲）的手部和前臂進行測試。先確定機械無害閾值（Mechanical Innocuous Threshold，MIT），將機械刺激器尖端（直徑 0.8mm）置于刺激點上方，以 0.5mm/s 的速度垂直靠近皮膚，當志愿者感受到首次觸摸時按下停止按鈕，記錄此時的位置和力閾值，重復 3 次。接著確定機械疼痛閾值（Mechanical Pain Threshold，MPT），將速度提升至 2mm/s，當志愿者感到疼痛時記錄相關數據。結果發現，實驗得到的 MIT 和 MPT 均在文獻數據范圍內。前臂的 MIT（468 ± 499 kPa）高于手部（88 ± 142 kPa），而手部的 MPT（3462 ± 2984 kPa）高于前臂（2788 ± 2053 kPa） ，但二者差異無統計學意義。不過，MIT 和 MPT 在手部和前臂均存在顯著差異，這表明該測試平臺能夠產生引發不同感覺（觸摸或疼痛）的力。
- 熱閾值識別：同樣對志愿者手部和前臂進行測試。識別熱溫暖感覺閾值（Thermal Warm Sensation Threshold，TWST）時，將溫度為室溫的熱刺激器尖端（直徑 3mm）接觸手部，以 0.5°C/s 的速度升溫，當志愿者感受到溫暖時記錄溫度，重復 3 次。熱熱痛閾值（Thermal Hot Pain Threshold，THPT）的識別方法類似，只是要求志愿者感受到熱痛時記錄。冷感覺閾值（Thermal Cool Sensation Threshold，TCST）和冷冷痛閾值（Thermal Cold Pain Threshold，TCPT）則是通過降溫來確定。結果顯示，手部 THPT（49.3 ± 4.1°C）略高于文獻數據，前臂 THPT（43.9 ± 3.5°C）略低于文獻值，且手部和前臂的 THPT 存在顯著差異。手部和前臂的 TWST 均高于文獻數據，TCST 均低于文獻數據，且手部和前臂的 TCST 也有顯著差異。TCPT 在手部和前臂的數值與文獻范圍相符，并且手部和前臂的 TCST 與 TCPT 均存在顯著差異。
- 疼痛性質辨別能力：研究人員隨機對手部施加機械、熱和冷疼痛刺激，共重復 9 次，讓志愿者識別刺激類型。結果發現，機械刺激最易辨別，識別率達 100%。熱刺激最難識別，在手部實驗中，冷刺激與熱刺激混淆率為 11.1%，熱刺激與冷刺激混淆率為 30.6%，與機械刺激混淆率為 2.8% 。前臂實驗結果趨勢類似，但機械刺激與熱刺激混淆率為 5.6%，冷刺激識別率更高，與熱刺激混淆率為 2.8%，熱刺激識別率提升至 75%�？傮w來看，機械刺激識別率最高，冷刺激與機械刺激從不混淆，熱刺激則常與冷、機械刺激混淆。
在研究結論和討論部分，該新型測試平臺展現出諸多優勢。與傳統設備相比，它具有高空間分辨率和重復性，能夠提供機械和熱連續刺激，且在刺激過程中保持接觸面積不變，刺激速度恒定。通過實驗得到的機械閾值結果與文獻數據相符，體現了平臺在研究機械閾值方面的可靠性。熱閾值結果雖與文獻存在差異，但這是由于測試平臺采用了更小的刺激面積，有助于研究聚焦熱刺激反應。在疼痛性質辨別實驗中，該平臺顯著提高了實驗的準確性和重復性。此外，該平臺還可應用于多種研究，如利用下一代具有神經形態觸覺反饋的假肢恢復截肢者生理感覺的研究、術后狀況測試、慢性疼痛病理識別等。未來，研究人員計劃擴大樣本量，進一步提升研究的可靠性，并利用該平臺在歐洲項目 SOMA 框架下對神經支配的皮膚模型進行體外測試，記錄其電反應，有望為體感研究開拓更廣闊的前景。
