对2D平面本体感受漂移的支持向量机可视化方法

摘要

本文介绍估计使用镜子幻想，用机器学习的分析相结合的一个心理过程的2D平面本体漂移的新方法。

摘要

Proprioceptive drift, which is a perceptual shift in body-part position from the unseen real body to a visible body-like image, has been measured as the behavioral correlate for the sense of ownership. Previously, the estimation of proprioceptive drift was limited to one spatial dimension, such as height, width, or depth. As the hand can move freely in 3D, measuring proprioceptive drift in only one dimension is not sufficient for the estimation of the drift in real life situations. In this article, we provide a novel method to estimate proprioceptive drift on a 2D plane using the mirror illusion by combining an objective behavioral measurement (hand position tracking) and subjective, phenomenological assessment (subjective assessment of hand position and questionnaire) with a sophisticated machine learning approach. This technique permits not only an investigation of the underlying mechanisms of the sense of ownership and agency but also assists in the rehabilitation of a missing or paralyzed limb and in the design rules of real-time control systems with a self-body-like usability, in which the operator controls the system as if it were part of his/her own body.

引言

近年来，关于有义或自体，即，自己的身体的经验研究，已在实施例的上下文增加。实施例涉及的想法或具有物理或虚拟体可以与环境交互，例如达到，抓，而感人的概念。例如，人类可以通过移动自己的身体，在这种情况下，自己的手臂和手触摸定位环境中的物体或另一个人。如今，这种相互作用或通信不限定于使用自己的自然的身体。由于发明和人样机器人或化身在虚拟世界的发展，自然人体可以通过人工体被取代，如人形，遥控机器人，电动假体，或电脑图形化身在虚拟现实。例如，研究人员开发出一种机器人，其操作者可以"抓住"对象通过其机械体放置在机器人前面，即使ROBOt被从操作者的身体位置^1,2-置于远。类似于本实施例，如果一个人的可通过人工体执行动作，该机构将保持在操作者的自体的归属？

我们可以很容易地找到相关的从我们自己的身体自然的"自我"的归属或投影这次讨论的人工，非肉和骨的身体话题。一个例子可以在医疗领域中找到例如，在医学康复领域，正在探讨以减少疼痛，改善缺失或瘫痪肢体的运动功能即"特技"使用反射镜病人的自体感治疗，称为镜治疗^3-6。在这种疗法中，未受影响的身体部位或肢体的镜象可以误导病人的大脑，以为丢失或瘫痪肢体对应于镜中显示的之一，并导致感觉，它仍然在它前任条件（ 即出事前）。它仍在讨论这种错觉如何影响相关的身体表示大脑的应变能力。除了对我们的身体自然这种类型的讨论中，我们可以发现在工程领域的实施方案类似的讨论，特别是人性化系统交互设计问题。自的用于人造或虚拟体感已在远程呈现，脑机接口，和脑机接口^1,2,7-9的上下文中得到了很好的研究。一些研究人员报道，像人一样机器人，它可以从它的机械手转移触感到操作者的手，可以捕获操作者的自体到机器人感以及处于一个地点的意义，其中所述机器人被定位而不是哪里算实际存在，所谓的远程存在^1。其他研究人员报告说，虚拟化身反映运营商的肢体动作强LY从操作者的自己的身体的自体的操作者的感觉传送到虚拟体^9。这些结果表明用户如何投射自我体感到一种人造体，如人形，遥控机器人，电动假体，或电脑图形化身在虚拟现实中，即使在人造体不直接连接到其大脑和身体。

这种类型的自体感非肉和血的基础科学研究，人工体状物体检测潜在的脑机制自体的使用橡胶手错觉^{（RHI）10-13}和镜像体验幻觉^{（MI）14-16}在医学和工程领域以及在心理物理学和神经心理学。该RHI是一个橡胶手属于自己的身体，并通过同时抚摸可见橡胶手和参与者的手遮挡引起轰动。在MI，一只手IMAGE在沿正中矢状轴定位在镜子在视觉上捕捉参与者的感知看不见的另一只手的位置。此外，反射和看不见的手的动作同步唤起强烈轰动，仿佛反射手图像是看不见的另一只手。根据对这些幻想的研究，多峰信息和预测与约的肢体动作感官反馈之间的一致性似乎发挥自我体归属的判断中起重要作用。因此，这两种幻想可以简单但功能强大的证据和工具，为科学家研究大脑机制，我们感觉背后被欺骗或相信一些人为对象或图像可以主观地是我们自己身体的一部分，我们的自体感呢不必被捆绑到我们的自然的身体。

在上面列出的所有这些研究中，在讨论了基于"自我"consisti概念主人翁意识和机构的意义:由哲学家加拉格尔¹⁷提出两种感觉的NG。主人翁意识指的是观察到的身体部位是自己的感觉。机构的意义对应于身体运动是自我造成的感觉。这两个感觉被定义为最小的自我，即，自¹⁶立即感。所有权和机构的意义:根据这一概念，"自我"为天然的，受损的，虚拟的，和机械机构的归属可以通过相同的索引进行评估。为了使用这种感觉了科学评价，产生的问题是如何衡量的所有权和机构的意义强劲。目前，所有权和机构意义上的估计主要依赖问卷调查，最初是由Botvinick ⁹提议。除了问卷调查，我们可以尝试来衡量他们的定量方法。例如，皮肤CONductance反应（SCR）已被用作所有权的情况下，生理指标，其中橡胶手突然被刀子砍^18。 SCR被通过测量皮肤的电特性计算为觉醒¹⁹的灵敏和有效指标。因为通常被应用于每位与会者单个试验该方法中，测量的SCR不适合作为在需要参与者内重复测量心理物理学实验物理索引。一个用于所有权的意义上最成功的行为指标是本体漂移。本体感受漂移是看不见实际的手的朝向的对象，看起来像一个手，如橡胶制成的假体或位置的感知位置的变化计算机图形^10-13。因为这种变化可通过测量看不见真实手和手的视觉图像，本体漂移我之间的距离来重复，鲁棒估计对心理测量适合SA物理指标。然而，这种用法需要进行仔细评估，因为最近的讨论质疑本体漂移总是可以被用来作为拥有¹²的行为指标。

典型地，本体漂移仅在三个方向，例如高度，宽度或深度中的一个测量。本体漂移很少被在多个方向上测得的，由于估算和可视化多维数据的难度。此计量限制不是基础研究探索了处理多感官信息，因为实验条件可以很容易地设计和控制，以限制所测量的尺寸的机制的关键。然而，在日常生活中，我们的手自由地移动3D跟随我们的意图。在这种情况下，它是困难的，不充分的测量参与者的与问卷调查，这严重限制运动和POS行为手中itions。因此，考虑为所有权和机构在工程和康复，其包括多个方向并允许需要自由手部运动，以评估在日常生活中的情况的视觉和本体反馈之间的空间关系的测量感潜在的应用。如果这样的测量是可能的，真实的和观察到的手之间测量的距离可以利用作为自体的意义上的指导方针。这可能不仅成为康复的进展，但也为空间中的显示的操作目标和操作的手之间的偏移的基准的指标。现在的问题是，如何这测量能够可靠和有效的执行。

为了解决这个问题，我们引入了一种新的方法来估算本体漂移，这相当于从参与者的真正看不见的手的位置转移到一个有形之手般的邻bject，使用镜子幻想通过结合心理过程，并使用机器学习分析2D平面。相比，橡胶手，在镜子的手图像强烈捕获参与者的感知看不见实际的手的位置。此外，镜像图像立刻反映了手的位置自愿的手部动作。因此，镜像被选定为参与者手的视觉反馈。此外，衡量类似的日常生活情况本体漂移，参与者定位自己看不见的手试通过审判他们的意志，试验次数增加。尽管可能已使用方向的任何组合，高度和深度的组合被选择由于易于放置镜垂直的。要检查我们的方法和以前的研究¹³之间的一致性，两个可视条件下得到实施:与无视觉反馈。在视觉反馈，镜像W上的条件沿着矢状平面定位以创建左手的反射图像，就好像它被视为右手。在没有视觉反馈的情况下，磨砂黑板为了隐藏参与者的真正右手使用。我们通过比较结果对所有权和机构意义上的调查问卷获得的评估这种新方法的有效性。

研究方案

实验的所有方面由东京工业大学的伦理委员会批准。

1.实验装置

1. 材料和测量本体感觉漂移设置。
   1. 获得一个支架可垂直容纳100×100厘米板（ 图1）。
   2. 获得其上，与会者可以在实验过程中舒适地坐在椅子上。
   3. 获取100×100厘米亚克力镜面和磨砂的黑板。
   4. 获得的位置跟踪器（例如，SLC-C02，Cyverse）来跟踪参与者的右手位置上。空间分辨率应为约1.5mm，以允许用于机器学习采样的足够数量。
   5. 获得将用于分别表示支架和参与者的右手，的位置的红外LED和回射标记物（见步骤1.1.11和3.2.6）。
   6. 获得参与者的响应脚踏板。
   7. 创建定制的程序，它可以记录和同时显示参与者的反应和右手位置，按下脚踏板时起到提示音作为参与者的回应反馈。在这些实验中，参与者的右手位置，用电动机捕获装置，并根据制造商的说明书其定做程序收集。
      注:根据以前的论文^16，该方案与软件开发工具包开发的。由软件开发工具包，开发了定制的程序可适于其他品牌动作捕捉装置。
   8. 使用一个节拍器以提供手运动的训练定时信号，也就是攻镜或黑板的表面上。请参阅步骤3.1.1精确的培训指导。
   9. 使用降噪耳机，以减少参与者可以听到手的位置声音提示的可能性。
   10. 对于视觉反馈条件，附镜子的立场。对于没有视觉反馈的情况下，附加在黑板上的立场。
   11. 放置红外在反射镜或黑板的左上角的LED。
2. 材料和测量所有权和机构设置感。
   1. 从步骤1.1.1重复过程中的步骤1.1.11。
   2. 创建或获取调查问卷评估所有权和机构的意义（ 如 ^{，-10,13,16-）。} 表1显示了该问卷在以前的研究中使用的¹⁵例。
   3. 使用显示器或平板电脑来显示问卷的参与者。

2.与会者

1. 招收约10右手参与者正常或矫正到正常视力。
   注意:参与者的数目可以根据实验的目标和每particip重复试验的次数来调整蚂蚁。
2. 获得书面知情同意前实验开始参与。

3.实验过程

1. 训练阶段的手势动作。
   1. 培训学员同步地在镜子或黑板双手在一定的速度用节拍器挖掘。指示参与者通过保持手的脚跟在与反射镜或板接触以执行拍打运动。在训练开始的时候，启动节拍器以每分钟60次节奏，然后指示参与者根据节拍器的声音同步移动双手。
   2. 确保参与者的手部动作的定时是由它敲击开始之后比较节拍器几分钟的声音接近每秒（大约1赫兹）一个周期。
2. 在与会者的矢状切面本体感受漂移的估计。
   1. 使用跨参与者的条件反平衡秩序。
   2. 安装在基于条件的站在镜或黑板:视觉反馈，装入镜;无视觉反馈，安装在黑板上。
   3. 确保参与者坐在非常靠近镜子或黑板，这是沿着参与者的矢状切面定位（ 图1）。
   4. 确保参与者可以看到左手的镜像，但不能看到真正的右手。
   5. 指示参与者在实验过程中要注意的左手的图像中的反射镜。
   6. 把反光标记上参与者的右手食指指尖和手腕。
      1. 由于标记只把参与者的右手，确保参与者的右手由于附加标记的触觉感觉不会改变大大相比，左手通过查询参与者口服。
   7. 把降噪耳机在参加者的耳朵。
   8. 指示参与者从反射镜的右下角水平移动左手垂直约为30厘米和30厘米，以保持在实验过程中该左手位置。这个位置被设定为2D平面的表面的原点。
   9. 指导参与者把右手随意在镜子或黑板的另一边，并保持其直到审判结束位置。
   10. 指导有关任务参与者如下:
       1. 在每个试验开始时，指导参与者推脚踏板中间的按钮。在这个时候，系统将通过耳机作为踏板压的反馈发出蜂鸣声。
       2. 听到提示音后，指示参与者开始在1赫兹电路板上，这是在镜子同步用双手拍打和视觉反馈或无视觉反馈的情况黑板的条件。
       3. 经过六年多的手部动作，指导参与者的首选时间停止运动，并通过按脚踏板的右侧或左侧按钮回答有关右手位置的问题。右边的按钮是肯定的，左边是一个没有。现在的问题是，"你觉得右手和左手都在同一个位置上？"此时，参与者将再次听到哔声作为踏板记者反馈。
          注意:如果参与者询问的含义是"在同一位置，"告诉他们"相同的位置"是指该右手的主观高度和深度都等同于左手。
       4. 指示参与者右手转移到他们所选择的其他位置。然后，重新开始试用。这个周期将持续每种条件高达200试验。
   11. 确保学员能够理解任务，并要求参与者重新启动该任务。
   12. 在任务，检查参与者的攻丝的定时通过比较节拍器观看运动保持在大约1赫兹。
       注:节拍器的声音只能通过实验者可以听到。
   13. 完成约100个试验之后，让参与者休息一下。
   14. 执行对于在不同的天其它条件（有或没有视觉反馈）实验。
3. 在镜条件所有权和局感的估计。
   1. 定义收集有关所有权和机构的意识调查问卷的参与者的响应右手的立场。例如，在以前的出版物^16日 ，有13个前缀，右手位置。这些点每隔7厘米安排可达±从源头21厘米。
   2. 开展对AB相同的步骤作为从步骤3.2.2中列出步骤3.2.7 OVE估计。
   3. 指导参与者把右手以下实验者的引导并保持其位置，直到完成一次试验。
   4. 指导有关任务参与者如下:
      1. 在试验开始时，推脚踏板中间的按钮。此时，将与会者听到蜂鸣声为踏板压机的反馈。
      2. 然后，开始同步地挖掘左右手在1赫兹。
      3. 后攻的六倍以上，停止时，实验者表示敲击。然后，回答关于所有权和机构的意识问题与0显示使用7点李克特量表与收视率从-3（"完全不同意"），以+3显示器（"完全同意"）上表示既不协议或分歧（"不确定"）。
      4. 移动右手实验者指示的位置。然后，开始试用再次。这个周期将持续到该实验者定义右手位置的数目。
   5. 确保学员能够理解任务，并要求参与者启动任务。

4.数据分析

1. 本体感受漂移在与会者的矢状切面的分析。
   1. 获得的统计工具，其中包含机器学习应用，尤其是支持向量机（ 例如 ，R，MATLAB）。使用支持向量机（SVM）作为分类提取参与者的响应的边界。一个以前的出版物提供了分类算法的解释（见第七章^）20。在这篇文章中，我们将介绍使用R（3.1.2版本）的方法。
   2. 安装名为^"kernlab"21包，其中包含在R应用程序中使用SVM分析。
   3. 马克表示propriocepti区五个手的漂移如下（ 图2描述了数据分析流程的示意性表示）。见补充的软件代码和数据采样该数据分析的进一步解释。
      1. 计算从原点的相对正确的手。丢弃从分析错误（ 例如 ，丢失位置数据或参与者的反应）的数据。
      2. 请在使用SVM二维空间中参与者的"是"响应的概率模型。使用来自响应的数据作为模型的一个象征性的描述。用右手的位置作为模型的参数的数据。使用常用的径向基函数内核内核为SVM。为了避免任意的分析，计算西格马（ 即 ，用于改变每个数据点的权重参数）由自动西格玛估计。
      3. 确保通过检查日，该模型是正确安装模型电子训练误差为0.2之下。使用概率模型，限定其中的参与者的"是"响应的p值被估计超过0.5的区域。
   4. 平均每个参与者的数据，以显示本体漂移的区域。
      注:由于难以进行平均的"是"和"否"响应由在二维空间中的响应的p值估计区域的边界，两种类型的平均推荐。一种方法是将平均的p值在二维空间，这是之前估计的边界用的方法的参与者的响应。另一种方法是进行平均的面积，这是推定的边界后使用。
2. 分析调查问卷数据和面积的大小。
   1. 获得的统计工具来评估位置的意义和调查表的类别（ 如 ，SPSS或R）。
   2. 评估正态分布利用夏皮罗-威尔克测试所有数据的n，并应用适当的非参数检验当一个或多个相应的数据集的未能满足的标准正态分布（ 例如 ，Wilcoxon符号秩检验，弗里德曼试验）。
      注意:如果适合实验缺乏非参数方法，使用一个参数的方法和解释的理由。在先前的研究中^16，双向重复测量方差分析问卷的数据，有该分析没有非参数的替代品。

结果

从先前的研究的代表性结果呈现来说明方法^16。 图3A示出了区域的形状，其中参与者无法检测的空间左右手位置之间的偏移的条件之间有分歧（镜面）和无（黑板）视觉。反馈图3B显示与可视化反馈的条件是面积尺寸比在没有视觉反馈情况显著较大（Wilcoxon符号秩和检验:Z = -2.803，p = 0.005）。这些结果表明，所要求的视觉和本体反馈之间的?...

讨论

我们展示了一个方法来使用SVM镜子幻想中估计本体漂移在2D平面上，并与所有权和机构的意识问卷答复的结果进行比较。这种新颖的方法揭示了所需的视觉和本体反馈之间的偏移量，以保持本体漂移约为10厘米，而该偏移紧密地与偏移必须维持所有权和机构的感觉重叠。

注意，此方法的最关键的步骤是3.2.5中所述，一个指令至约他们关注的参加者。在以前的试验研究^16，

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acric mirror
Matte blackboard
custom-made stand			e.g. wood pole or PVC(poly vinyl chloride) pipe
Chair
Foot pedal	P.I. Engineering	Classic X-keys USB, and PS/2 Foot Pedals	Other response device can be avaliable.
Position sensor	CyVerse	SLC-C02	Other position sensor can be avaliable.
Custom-made retroreflectivemarker		The marker provided by the motion capture vendor can be available.
Noise canselling head phone	bose	Quiet Comfort 3	Other head phone can be avaliable.
PC	Mouse computer	NG-N-i300GA	Other PC can be available.