Charakterisierung des Sinnes der Agentur über die Aktionen der Neural-Maschine-Schnittstelle betrieben Prothesen

Zusammenfassung

Hier präsentieren wir ein Protokoll, das Gefühl der Agentur entwickelt, die Kontrolle über sinnlich virtuell oder Roboter Handprothesen charakterisiert. Psycho-physischen Fragebögen werden eingesetzt, um die explizite Erfahrung der Agentur zu erfassen, und Intervall Zeitschätzungen (vorsätzliche Bindung) werden eingesetzt, um implizit das Gefühl der Agentur messen.

Zusammenfassung

Diese Arbeit beschreibt einen methodischen Rahmen, der verwendet werden kann, um explizit und implizit charakterisieren das Gefühl der Agentur entwickelte sich im Laufe der neural-Maschine-Schnittstelle (NMI) Kontrolle der sinnlich virtuell oder Roboter Handprothesen. Die Bildung der Agentur ist von grundlegender Bedeutung bei der Unterscheidung der Aktionen, die wir mit unserer Gliedmaßen als unsere eigenen ausführen. Durch das Streben, erweiterte Prothesen der oberen Extremität in dieser gleichen perzeptuellen Mechanismen zu integrieren, können wir beginnen, eine Prothese des Benutzers vorhandenen kognitiven Rahmen für Gliedmaßen Kontrolle stärker integrieren. Dies hat gravierende Auswirkungen bei der Förderung der Akzeptanz, Nutzung und wirksame Kontrolle der fortgeschrittenen Prothesen der oberen Extremität. In diesem Protokoll Teilnehmer einer virtuellen Handprothese zu kontrollieren und kinästhetisches sensorisches Feedback über ihre bereits vorhandene NMIs erhalten. Eine Reihe von virtuellen greifen Aufgaben durchgeführt und Störungen werden systematisch in die kinästhetischen Rückmeldungen und virtuelle Handbewegungen eingeführt. Zwei verschiedene Maßnahmen der Agentur beschäftigt: etablierte psychophysischen Fragebögen (um die explizite Erfahrung der Agentur zu erfassen) und einem Zeitintervall schätzen Aufgabe um die impliziten Gefühl der Agentur (vorsätzliche Bindung) zu erfassen. Ergebnisse dieses Protokolls (Fragebogen Partituren und Zeitintervall schätzt) können analysiert werden, um das Ausmaß der Agentur Bildung zu quantifizieren.

Einleitung

Wie Roboter Prothesen immer weit fortgeschritten, wird die Bedeutung der relevanten sensorisches Feedback weiter wachsen. Sensorisches Feedback wirkt sich wie Menschen wahrnehmen, interagieren und sogar ihre Körperschemas Maschinen integrieren. Den letzten NMI-Techniken können jetzt bieten Prothese Nutzern intuitive Steuerung und erreichen mit verbundenen Empfindungen berühren^{1,2,3,4,5,6 , 7} und Kinästhesie (Bewegung Sinn)^8,9 in fehlenden Gliedmaßen. Wenn diese sensorische Informationen mit den visuellen Informationen durch die Beobachtung der künstlichen Gliedmaßen während des Betriebs gekoppelt ist, haben wir Zugriff auf wichtige Elemente, die die Unterscheidung von selbst-versusinformieren-andere. Nutzen diesen Zugang kann helfen, Prothese Benutzer einen Schritt näher zu bringen, um eine Prothese als Teil ihres Körpers, anstatt nur ein Werkzeug in Betrieb.

Körperbewusstsein und das Gefühl des Seins verkörpert ergibt sich aus der Einrichtung der Agentur (die Erfahrung der Urheberschaft einer Extremität Aktionen) und Besitz (das Gefühl, dass ein Glied ein Teil des Körpers ist)^10,11. Eigentum ist in erster Linie durch die Integration von Touch und visuelle Informationen¹²vermittelt. Agentur ergibt sich aus der Integration von Absicht, Bewegung Empfindung (Kinästhesie), visuelle Informationen und kognitive Vorhersagemodelle¹¹. Während der Aufführung einer freiwilligen Aktion Agentur entsteht, wenn die sensorischen Folgen dieser Aktion mit dem ausführenden Absicht und Vorhersagen aus der Performer interne Modelle¹³ausrichten. Agentur ist verschieden vom Besitz. Das Konzept der Eigenverantwortung der Gliedmaßen wurde häufig in Prothese Literatur¹⁴untersucht. Ein Gefühl der Extremität Eigentum Formen in NMI Teilnehmer beim Touch Feedback räumlich und zeitlich angemessen, da die gemessenen explizit durch Fragebögen oder implizit durch stumpfes Temperaturänderungen oder zeitliche Reihenfolge Urteile¹⁵ist. Jedoch gab es weniger Möglichkeiten zur Erkundung der Agentur im Rahmen des NMI¹⁶. Jüngsten Arbeiten mit NMI Teilnehmer hat gezeigt, dass Agentur gezielt gefördert werden kann und ist unabhängig von der Erfahrung des Eigentums⁸.

Agentur ist besonders wichtig in den Betrieb der Roboter Prothesen wie eine kognitive Verbindung zur Steuerung der Prothese körperliche Handlungen durch Erfahrungen der Kausalität, das Gefühl der Kontrolle der künstlichen Gliedmaßen oder etwas zu verursachen passieren Sie,¹⁷. Roboter-Prothesen sind erweiterte computergesteuerte Maschinen, die der Benutzer zusammenarbeiten muss Aufgaben effektiv erledigen. Einige Prothesen haben autonome Funktionen wie Griff-Rutsch Erkennung und Korrektur aufgenommen; Diese Systeme haben noch begrenzte Annahme gesehen, wie Funktionalität, die außerhalb der Kontrolle des Benutzers laufen so frustrierend eingesehen werden, wenn nicht entsprechend umgesetzt^8,18. Dies stellt eine grundlegende Herausforderung, die in Anwendungen der menschlichen Zusammenarbeit mit autonomen Maschinen aufgegriffen wird. Das heißt, Menschen Vertrauen oft ihre eigenen Handlungen über solche, die aus einer Zusammenarbeit mit Computern oder Maschinen und dieses Vertrauen beeinflusst direkt des Betreibers Wahrscheinlichkeit, die autonomen Funktionen^19,20zu verwenden. Als Menschen Vertrauen wir von Haus aus uns selbst und unseren Körper für die Aktionen, die wir wollen; Wenn dies erreicht ist, schaffen wir einen inneren Sinn der Agentur. Interessanterweise ist die Gründung der Agentur im Mensch-Computer-Kooperationsmaßnahmen beeinflusst. Während der Mensch-Mensch kooperative Aufgaben kann ein gemeinsames Verständnis von Agentur über Bewegung²¹gebildet werden; jedoch schlägt die Literatur, dass gemeinsame Agentur während der Mensch-Maschine-Kooperation^22,23belastet ist. Diese Herausforderungen spiegeln sich in Prothetik Obere Extremität Verwendung und Ausschussquoten robotische Geräte bleiben hoch, mit 23-39 % von Benutzern, die ihre Nutzung²⁴absetzen. In der Tat lieber viele Prothese Benutzer immer noch Körper betriebene Systeme²⁵. Diese Systeme die computergesteuerte Maschine aus den Regelkreis und mehr Paar eng Bewegung des Körpers des Benutzers auf die Prothese Bewegung über Drahtseile. Dies verstärkt weiter die Bedeutung der kognitiven Integration bei der Verwendung von erweiterten Prothesen. Wir empfehlen, dass NMI-Systeme eine Reihe von notwendigen sensorischen und motorischen Teile bieten, künstliche Gliedmaßen näher zu bewegen, um eine kooperative Gefühl der Agentur zu helfen, und dies wird maßgeblich fördern die Akzeptanz und die echte Integration dieser computergesteuerte Maschinen mit ihren Nutzern.

Agentur kann in verschiedener Weise gemessen werden. Die einfachsten Maßnahmen verwenden psychophysische Fragebögen oder Skalen explizit bitten die Teilnehmer, wen oder was sie schreiben ein Ereignis^17,26,27. Diese stützt sich auf ein Individuum bestehende Wahrnehmung der "selbst" durch die Forderung der Teilnehmer zu schlussfolgernde Urteile des selbständigen Namensnennung (d.h., explizit zu beurteilen, ob "Ich" oder einer anderen juristischen Person für eine Aktion oder Veranstaltung verantwortlich war). Implizite Measures geben Einblick in den Hintergrund kognitive Prozesse, die während der motorischen Aktion und sensorischen Veranstaltungen auftreten. Diese Ansicht der Agentur versucht, das zu messen, die nicht ausdrücklich vom Individuum wahrgenommen wird. In der Regel wird dies erreicht, indem man Teilnehmer einen wahrgenommene Unterschied in selbst - und extern generiert zu charakterisieren, Aktionen, zum Beispiel mit Teilnehmern die Dauer der Zeit, die sie wahrgenommen berichten, um zwischen einem selbst und nach außen-generierte Ereignis auftreten ^{17 , 28}. während der Aufführung des selbst erzeugten Aktionen Agentur implizit manifestiert sich als eine wahrnehmbare Kompression in der Zeit zwischen Aktionen und ihre sensorischen Konsequenzen, bekannt als vorsätzliche Bindung²⁸. Wenn Personen die Zeit Wahrnehmung zwischen einer Aktion und ihrer Ergebnisse auftreten berichten, entspricht wahrgenommene kürzer Zeit zu einem stärker gegründeten Agentur^29,30. Interessanterweise wurde nachgewiesen, dass explizite und implizite Maßnahmen nicht direkt korrelieren können, wie sie wahrscheinlich Charakterisierung sind unterschiedliche Wahrnehmungs Mechanismen¹⁷ , die zusammen das Gefühl der Agentur zu informieren. Einrichtung ein umfassenderes Verständnis der Agentur Bildung während des Gebrauchs der Prothese wird als solche wahrscheinlich experimentelle Protokolle mit expliziten und impliziten Maßnahmen erfordern.

Diese Arbeit beschreibt einen methodischen Rahmen, der verwendet werden kann, um explizit und implizit charakterisieren das Gefühl der Agentur die NMI Kontrolle über sinnlich virtuell oder Roboter Handprothesen entwickelt. Zwei Techniken zur Messung der Agentur während der Wahrnehmung einer sensomotorischen Objekt greifen werden hervorgehoben. Etablierten psychophysische Fragebögen werden eingesetzt, um die explizite Erfahrung der Agentur, zu erfassen, während Zeitschätzungen Intervall (vorsätzliche Bindung) beschäftigt sind, um das Gefühl der Agentur implizit zu messen.

Der Umfang dieses Protokolls ist, das Gefühl der Agentur im Zusammenhang mit einer NMI auszuwerten, die physiologisch relevanten aktive Motorsteuerung und kinästhetische Feedback bietet. Diese Techniken sind verallgemeinerbare auf virtuellen oder physischen prothetische NMI-Systeme. Es gibt minimale Beschränkungen auf die Bevölkerung, die zur Durchführung dieses Protokolls eingestellt werden können. Zum Beispiel nicht die Mobilität der oberen Gliedmaßen des Teilnehmers auf bilateraler Ebene beeinflusst werden (sie müssen eine solide Gliedmaße), und sie müssen die kognitive Fähigkeit besitzen, zeitbasierte Urteile und erfahrenen Empfindungen zu artikulieren.

Protokoll

Dieses Protokoll zuvor genehmigt wurde und folgt den Richtlinien der Cleveland Clinic Humanforschung Ethik-Kommission.

(1) Hardware und Software der NMI

1. Jedes einzelnen Teilnehmers NMI Kontrolle und Feedback zu etablieren, so dass wenn sie versuchen, eine Bewegung auszuführen, sie sehen und eine virtuelle Prothese fühlen, dass Bewegung zu vollziehen.
   1. Eine Hand kinästhetische Wahrnehmung durch den Teilnehmer NMI zu generieren und die Kinematik der wahrgenommene Bewegung zu erfassen, indem er die Teilnehmer zeigen, was sie fühlen mit ihrer intakten Hand.
      Hinweis: Techniken, um kinästhetische Wahrnehmung Kinematik charakterisieren in anderen Werken⁸ dargestellt und mit einem Datenhandschuh oder einer optischen Motion-Capture-System erreicht werden können.
   2. Verwenden Sie eine virtuelle Hand/prothetischen Simulation, um die Kinematik der Bewegung der Wahrnehmung zu reproduzieren.
   3. Richten Sie Hardware, die absichtliche Hand Bewegung Steuersignale von der Teilnehmer NMI zu erfassen.
   4. Die Aktivität der virtuellen Prothese dieses Steuersignal zuordnen.
   5. Erstellen Sie ein master-Regler-Programm, das die Übernahme des Steuersignals NMI, die Bewegung der virtuellen Prothese und die Generation der kinästhetischen NMI-Feedback in Echtzeit koordiniert.

2. Versuchsaufbau

1. Platz für die Teilnehmer und einen Monitor horizontal positionieren (d. h.auf der Rückseite nach oben) auf einem Tisch vor ihnen.
2. Die virtuelle Prothese auf dem Monitor angezeigt und ihre Größe und Position so einstellen, dass sie deckungsgleich mit dem Standort ihrer fehlenden Gliedmaßen positioniert ist.
3. Rendern Sie Objekte (z.B., schwimmende Kugeln) in der virtuellen Umgebung als Haltepunkte für die engen und offenen Positionen der Hand (Endpunkte der Bewegung) zu dienen.
4. Das master-Regler-Programm so konfigurieren, dass wenn die virtuelle Ziffern machen Kontakt mit der virtuellen Haltepunkte, ein akustischer Ton gespielt wird, nach eine einstellbare Zeit verzögern (300, 500, 700 oder 1000 ms).

(3) experimentellen Bedingungen

1. Bauen Sie eine Eingabedatei für das master-Regler-Programm, das gibt die Einstellungen für jeden Versuch, einschließlich der auditiven Ton Verzögerung, ob das NMI Feedback ein-/ausschalten, die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung der virtuellen Hand, und die Verzögerung zwischen dem Befehl aktiviert ist und die virtuelle Handbewegung.
   1. Erstellen Sie zwei Kontrolle Bedingungen, einen Basisplan und einem passiven Zustand.
      1. Konfigurieren Sie für den Ausgangszustand die Kinematik und die Kontrolle über die virtuelle Hand entsprechend der NMI kinästhetische Wahrnehmung.
         Hinweis: Der Ausgangszustand repräsentiert die ideale Kongruenz der motor Absicht, Bewegung Kinematik und kinästhetischen Rückmeldungen.
      2. Programmieren Sie den passiven Zustand, eine virtuelle Handbewegung Auslösung durch den Prüfarzt (entfernen das Steuerelement aus der Benutzer) durchzuführen und gleichzeitig noch die Teilnehmer mit dem NMI kinästhetische Wahrnehmung.
         Hinweis: Der passive Zustand fängt die theoretische Worst-Case-Agentur-Bedingungen (d.h., Bewegung in der Abwesenheit von Kontrolle [ohne Absicht], ähnlich wie bei den Körper passiv bewegt wird).
   2. Programm zusätzliche Bedingungen zu analysieren, die Beiträge zu Agentur motor Absichtserklärungen, kinästhetische Empfindung und zeitliche Diskrepanz mit der angezeigten Kinematik der virtuellen Prothese entwickelt. Verwenden Sie die folgenden fünf Bedingungen.
      1. Gegenbewegung: das NMI kinästhetische Feedback zeigt, dass die Hand schließt, während die Hand Visualisierung öffnet.
      2. Zu schnell: die Hand-Visualisierung schließt schneller als durch das NMI kinästhetisches Feedback angegeben.
      3. Zu langsam: die Hand-Visualisierung schließt langsamer als durch das NMI kinästhetisches Feedback angezeigt.
      4. Beginn Verzögerung: die Hand Visualisierung schließt 1 s später als durch das NMI kinästhetisches Feedback angezeigt.
      5. Kein Feedback: die Hand-Visualisierung schließt ohne NMI kinästhetisches Feedback.

4. Leistung des Experiments

1. Weisen Sie Teilnehmer zu fahren die Hand von der offenen in die geschlossene Position ohne zu stoppen und ihre Einschätzung der Zeitverzögerung von wann die virtuelle Ziffern den virtuellen Haltepunkte kontaktiert, wenn sie den auditiven Ton gehört zu berichten.
   Hinweis: Teilnehmer können Darstellung der Zeit zwischen 0 und 1 s verwenden, die am sinnvollsten für sie(z. B.Millisekunden, Bruchteile von Sekunden, 0 - 10 Skala).
2. Jede Prüfung durch Drücken einer Schaltfläche "Start" auf der master-Regler-Programm, das die virtuelle Hand bewegt sich in die Startposition, signalisiert den Beginn der klinischen Prüfung zu initiieren. Diese Hinweise den Teilnehmer um die virtuelle Hand fahren, um die virtuellen Haltepunkte, wodurch einen auditiven Ton, nach einer randomisierten Verzögerung zu spielen (300, 500 oder 700 ms).
   1. Notieren Sie die Teilnehmer mündlich berichtet Schätzung des Zeitintervalls Verzögerung.
3. Studien in experimentellen Blöcke zu organisieren.
   1. Beginnen Sie mit zwei Trainings und Ausgrenzen aus der letzten Analyse.
      1. Haben Sie im ersten Training die Teilnehmer fahren die Hand an den Endpunkt der Bewegung und spielen Sie den auditiven Ton 1.000 ms zu, nachdem die virtuelle Ziffern der virtuellen Stopppunkte für 10 Studien erreichen.
         1. Teilnehmer müssen nicht die geschätzten Intervalle für diese praktische Übung zu melden.
            Hinweis: Dieser Schritt ist erforderlich, die Teilnehmer, wie lange eine einzige Sekunde fühlt sich zu orientieren.
      2. Im zweiten Training wieder, haben Sie die Teilnehmer fahren die Hand an den Endpunkt der Bewegung. Randomisieren Sie die akustische Töne, damit die 300, 500 und 700 ms Verzögerung Intervalle von mindestens 5 x jeweils dargestellt werden.
         1. Bitten Sie die Teilnehmer, die geschätzte Verzögerung Intervalle zu melden.
         2. Informieren Sie die Teilnehmer, wie nah ihre Schätzungen der Verzögerung Intervalle die tatsächliche Verzögerung während dieser Praxis Studien oder Nachfolgeprozesse in den experimentellen Block sind nicht.
            Hinweis: Dieser Schritt ist wichtig, da Teilnehmer wahrscheinlich unerfahren werden in der Zeit Urteile auf einer Skala von Bruchteilen einer Sekunde, und das Testverfahren möglicherweise nicht intuitiv zu der ungeübte Test-Teilnehmer.
   2. Verschieben Sie an experimentellen Gruppen von 15 Studien für jede Bedingung. Die Bedingungen in einer randomisierten Reihenfolge zu präsentieren und einen Fragebogen am Ende jeder Bedingung zu verwalten.
      1. Weisen Sie die Teilnehmer reflektieren den aktuellen Satz von Studien und füllen Sie die acht-Anweisung Agentur Fragebogen (enthält vier Fragen, die explizite Erfahrung der Agentur zu quantifizieren und vier Kontrollfragen [Beispiel in der Ergänzende Datei])^8,26.
         1. Zufällig die Fragebogen-Anweisungen geben mindestens fünf einzigartige Frage Aufträge an die Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip vorgelegt werden.
   3. Die experimentelle Block mit einem Satz von 15 Studien für den passiven Zustand zu beenden und einen Fragebogen nach Abschluss dieser Prüfungen zu verwalten.
      Hinweis: Verwalten der passive Prüfungen am Ende jeder experimentellen Block zu vermeiden mit einem etablierten Agentur stören.
4. Komplette vier experimentelle Blöcke mit verschiedenen randomisierten Ordnungen der experimentellen Bedingungen.
5. Bieten Sie mehrere Möglichkeiten, über die Dauer der Tests für die Teilnehmer, eine Pause einzulegen. Es gibt keine minimale Zeit oder Frist für diese Pausen, aber sicherstellen, dass der Teilnehmer nicht körperlich oder geistig erschöpft vor der Fortsetzung der Prüfung ist.

Ergebnisse

Das experimentelle Protokoll wurde mit drei Amputierte Teilnehmer Betrieb ein sinnlich virtuelle Prothese über ihre NMI⁸ (Abbildung 1) durchgeführt. Das Setup verwendet eine Teilnehmer-steuerbare virtuelle Hand bewegt durch vorprogrammierte kinematische Profile mit MuJoCo HAPTIX Physik-Engine³¹. Die virtuelle Hand war auf einem horizontalen Monitor vor den Teilnehmern an einem Ort räumlich deckungsgl...

Diskussion

Hier wird ein methodischer Rahmen präsentiert, um die Erfahrung der Agentur gebildet während des Betriebs sinnlich Prothesen über NMIs charakterisieren. In diesem Zusammenhang ist die Agentur besonders relevant, da es körperliche Aktion kognitive Hintergrundprozessen überbrückt, die Wahrnehmung prägen. Durch eines Teilnehmers Prothese und NMI, haben wir direkten Zugriff auf eine Reihe von wichtige Elemente, die das Gefühl der Agentur zu etablieren: Absicht, Motorleistung und Bewegung Empfindung. Von Bede...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
LabVIEW 2015, Service Pack 1, Version 15.0.1f2 64-bit	National Instruments, Austin, TX, USA	Full or Pro Version	We wrote custom software in LabVIEW to coordinate virtual prosthesis control with kinesthetic feedback as well as to present experimental conditions and record data.
8-Slot, USB CompactDAQ Chassis	National Instruments, Austin, TX, USA	cDAQ-9178
±60 V, 800 kS/s, 12-Bit, 8-Channel C Series Voltage Input Module	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9221
100 kS/s/ch Simultaneous, ±10 V, 4-Channel C Series Voltage Output Module	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9263
Custom Wearable Kinesthetic Tactor	HDT Global, Solon, OH, USA	N/A	This item was custom made. Other methods of delivering kinesthetic feedback are acceptable as long as the participant feels the sensation of the hand moving in real-time with the movements of the virtual hand.
MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Version	Roboti LLC, Redmond, WA, USA	mjhaptix150	Newer versions of MuJoCo should be acceptable as well. We used the MPL Gripper Model.
Myobock Electrodes, powered by Otto Bock EnergyPack in MyoBoy Battery Receptacle	Ottobock, Duderstadt, Germany	electrodes: 13E200=60 battery: 757B21 battery receptacle: 757Z191=2	Any setup that provides an amplified, filtered, and rectified EMG or neural control signal could be used.