Méthode de visualisation pour Drift proprioceptive sur un plan 2D Utilisation Support Vector Machine

Résumé

Cet article décrit une nouvelle méthode pour estimer la dérive proprioceptive sur un plan 2D en utilisant l'illusion de miroir et en combinant une procédure psychophysique avec une analyse en utilisant l'apprentissage machine.

Résumé

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.

Introduction

Au cours des dernières années, la recherche sur le sens ou l'expérience de l'auto-corps, qui est, de son propre corps, a augmenté dans le contexte de réalisation. La forme de réalisation se réfère à l'idée ou le concept d'avoir un corps physique ou virtuel qui peut interagir avec l'environnement, tels que les atteindre, saisir, et touchante. Par exemple, les humains peuvent toucher un objet ou un autre humain positionné dans l'environnement en déplaçant leur propre corps, dans ce cas, leur propre bras et la main. De nos jours, cette interaction ou de communication ne se limite pas à l'utilisation de son propre corps naturel. En raison des inventions et le développement de robots ressemblant à des humains ou des avatars dans le monde virtuel, le corps humain naturel peut être substitué par un organisme artificiel, comme un humanoïde, un robot de contrôle à distance, prothèse électrique ou infographie avatar dans la réalité virtuelle. Par exemple, les chercheurs ont développé un robot dont l'opérateur peut "saisir" un objet placé devant le robot via son corps mécanique, même si le robot est placé loin de la position du corps ^{de 1,2} de l'opérateur. Semblable à cet exemple, si un être humain pourrait effectuer une action par l'intermédiaire d'un organe artificiel, quel organisme serait maintenir l'attribution de l'auto-corps de l'opérateur?

Nous pouvons facilement trouver des sujets liés à cette discussion sur l'attribution ou la projection de «soi» de notre propre corps naturel, un organisme non-chair et d'os artificiel. Un exemple peut être trouvé dans le domaine médical; par exemple, dans le domaine de la réadaptation médicale, les traitements qui "truc" la sensation d' auto-corps du patient en utilisant des miroirs sont explorées pour réduire la douleur et l' amélioration de la fonction motrice d'un membre manquant ou paralysé, appelé thérapie par le miroir ^3-6. Dans cette thérapie, l'image en miroir de l'insensible partie du corps ou d'un membre peut induire en erreur le cerveau du patient à croire que le membre manquant ou paralysé correspond à celle affichée dans le miroir et conduire à la sensation qu'il est encore en elles état antérieur (avant l'accident). Il est encore en discussion comment cette illusion affecte la résilience du cerveau liées à la représentation du corps. En plus de ce type de discussion sur notre corps naturel, nous pouvons trouver des discussions similaires sur mode de réalisation, en particulier des problèmes de conception interaction-système humain dans le domaine de l'ingénierie. Le sens de soi pour un corps artificiel ou virtuel a été bien étudiée dans le contexte de la téléprésence, interface cerveau-machine, interface cerveau-ordinateur ^1,2,7-9. Certains chercheurs ont rapporté qu'un robot humanoïde, qui peut transférer la sensation tactile de sa main de robot à la main de l'opérateur, peut capturer le sens de l'opérateur d'auto-corps du robot, ainsi que le sentiment d'être à un endroit où le robot est positionné plutôt que là où l'opérateur existe réellement, appelé télé-existence ^1. D'autres chercheurs ont rapporté qu'un avatar virtuel qui reflète les mouvements du corps de l'opérateur fortely transfère le sens de l'opérateur d'auto-corps à partir de son propre corps de l'opérateur au corps virtuel ^9. Ces résultats indiquent comment les utilisateurs peuvent projeter leur sens de l'auto-corps dans un corps artificiel, comme un humanoïde, un robot de contrôle à distance, prothèse électrique ou infographie avatar dans la réalité virtuelle, même si le corps artificiel ne soit pas directement liée à leur cerveau et le corps.

La recherche fondamentale scientifique sur ce type de sensation d' auto-corps pour non-chair et de sang, des objets du corps comme artificiels a examiné les mécanismes cérébraux sous - jacents pour l'expérience de l' auto-corps en utilisant l'illusion de la main en caoutchouc (RHI) ^10-13 et miroir illusion (MI) ^14-16 dans les domaines médicaux et d' ingénierie, ainsi que dans la psychophysique et de la neuropsychologie. La RHI est la sensation qu'une main en caoutchouc appartient à son propre corps et est évoqué en caressant simultanément une main en caoutchouc visible et la main obscurcie du participant. Dans le MI, une ima de la mainge dans un miroir positionné le long de l'axe sagittal médian capture visuellement la position perçue du participant de la main opposée invisible. En outre, les mouvements synchrones de la main réfléchie et invisible évoquent la sensation forte comme si l'image de la main réfléchie était la main opposée invisible. Selon la recherche sur ces illusions, la cohérence entre l'information multimodale et la prédiction et la rétroaction sensorielle sur les mouvements du corps semble jouer un rôle important pour le jugement d'attribution auto-corps. Ainsi, ces deux illusions peuvent avoir des preuves et des outils simples mais puissants pour les scientifiques d'étudier les mécanismes cérébraux qui sous-tend notre sensation d'être trompé ou de croire que certains objet artificiel ou de l'image peuvent subjectivement être notre propre partie du corps, et que notre sensation d'auto-corps fait ne pas avoir à être lié à notre corps physique naturel.

Dans toutes ces études indiquées ci-dessus, l'analyse est basée sur le concept de consisti "auto"ng de deux types de sensation proposés par le philosophe Gallagher ^17: le sentiment d'appartenance et le sens de l' agence. Le sentiment d'appartenance se réfère à la sensation qu'une partie du corps observé est la sienne. Le sens de l'agence correspond à la sensation que le mouvement du corps est auto-causé. Ces deux sensations sont définies comme l'auto minimal, qui est, un sens immédiat de soi ^16. Selon ce concept, l'attribution du «soi» pour les corps naturels, endommagés, virtuels et mécaniques peut être évalué par les mêmes indices: le sens de la propriété et l'agence. Pour utiliser cette sensation d'une évaluation scientifique, la question se pose de savoir comment mesurer le sens de la propriété et l'agence robuste. Actuellement, l'estimation du sentiment d'appartenance et l' agence repose principalement sur des questionnaires, initialement proposées par Botvinick ^9. En plus des questionnaires, on peut tenter de les mesurer de manière quantitative. Par exemple, le con de la peauRéponse de conductance (SCR) a été utilisé comme un indice physiologique de la propriété dans les cas où la main en caoutchouc est soudainement coupée par un couteau ^18. Le SCR est calculé en mesurant les caractéristiques électriques de la peau et est un indicateur sensible et valable pour ¹⁹ l' excitation. Étant donné que cette méthode est généralement appliquée pour les essais individuels par participant, SCR mesure ne convient pas comme un indice physique pendant psychophysique expériences qui nécessitent des mesures répétitives au sein des participants. L' un des indices de comportement les plus efficaces pour le sentiment d'appartenance est la dérive proprioceptive. Dérive proprioceptive est le changement dans la position perçue de la main réelle invisible vers la position d'un objet qui ressemble à une main, comme la prothèse constituée de caoutchouc ou infographie ^10-13. Depuis ce changement peut être estimé de façon répétitive et robuste en mesurant la distance entre la main réelle invisible et l'image visuelle de la main, la dérive proprioceptive isa index physique approprié pour les mesures psychophysiques. Toutefois, cette utilisation doit être évaluée avec soin, parce que les discussions récentes ont demandé si la dérive proprioceptive peut toujours être utilisé comme un indice de comportement de la propriété ^12.

Typiquement, la dérive proprioceptive est mesurée dans une seule des trois directions, telles que la hauteur, la largeur ou la profondeur. la dérive proprioceptive a rarement été mesurée dans de multiples directions en raison de la difficulté d'estimer et de visualisation de données multidimensionnelles. Cette limitation métrologique est pas critique pour la recherche fondamentale explorant les mécanismes qui traitent des informations multisensorielle, parce que les conditions expérimentales peuvent être facilement conçues et contrôlées pour limiter les dimensions mesurées. Cependant, dans la vie quotidienne, nos mains se déplacent librement en 3D pour suivre nos intentions. Dans cette situation, il est difficile et insuffisante pour mesurer le comportement d'un participant avec des questionnaires, qui limite sévèrement le mouvement et positions des mains. Ainsi, compte tenu des applications potentielles pour le sens de la propriété et l'agence dans l'ingénierie et la réhabilitation, une mesure qui comprend de multiples directions et permet le mouvement de la main libre est nécessaire pour évaluer la relation spatiale entre la rétroaction visuelle et proprioceptive dans des situations de la vie quotidienne. Si une telle mesure était possible, la distance mesurée entre les mains réelles et observées pourrait être utilisé comme un guide pour le sens de l'auto-corps. Cela pourrait non seulement devenir un indicateur pour le progrès de la réadaptation, mais aussi un critère pour le décalage entre la cible manipulée à l'écran et la main d'exploitation spatiale. La question reste de savoir comment cette mesure peut être réalisée de manière fiable et efficace.

Pour répondre à cette question, nous introduisons une nouvelle méthode pour estimer la dérive proprioceptive, ce qui correspond au passage de la position de la main réelle invisible du participant à celle d'un o comme à la main visiblebjet, sur un plan 2D en utilisant l'illusion de miroir en combinant une procédure psychophysique et d'une analyse à l'aide d'apprentissage de la machine. Par rapport à une main en caoutchouc, l'image de la main dans un miroir capte fermement la position perçue du participant de la main réelle invisible. De plus, une image en miroir reflète immédiatement les mouvements volontaires de la main pour le placement de la main. Par conséquent, une image en miroir a été choisie comme une rétroaction visuelle de la part des participants. En outre, pour mesurer la dérive proprioceptive semblable à des situations de la vie quotidienne, les participants placés leur procès par procès main cachée à leur gré, et le nombre d'essais a été augmenté. Bien que toute combinaison de directions aurait pu être utilisé, la combinaison de la hauteur et de la profondeur a été choisie en raison de la facilité de passer à la verticale du miroir. Pour vérifier la cohérence entre notre méthode et de la recherche précédente ^13, deux conditions visuelles ont été mises en œuvre: avec et sans rétroaction visuelle. Dans la condition de rétroaction visuelle, le miroir wcomme positionné le long du plan sagittal médian pour créer une image réfléchie de la main gauche, comme si elle était considérée comme la main droite. Dans la condition sans rétroaction visuelle, un tableau noir mat a été utilisé afin de cacher la main droite réelle du participant. Nous avons évalué l'efficacité de cette nouvelle méthode en comparant les résultats à ceux obtenus avec un questionnaire sur le sentiment d'appartenance et l'agence.

Protocole

Tous les aspects de l'expérience ont été approuvés par le Comité d'éthique de l'Institut de Technologie de Tokyo.

1. Configuration expérimentale

1. Matériel et configuration pour la mesure de la dérive proprioceptive.
   1. Obtenir un support qui peut contenir une plaque cm 100 x 100 verticalement (Figure 1).
   2. Obtenir une chaise sur laquelle le participant peut asseoir confortablement pendant l'expérience.
   3. Obtenir un miroir acrylique 100 x 100 cm et tableau noir mat.
   4. Obtenir la position traqueur (par exemple, SLC-C02, Cyverse) pour suivre la position de la main droite du participant. La résolution spatiale doit être d'environ 1,5 mm pour permettre un nombre suffisant d'échantillons à utiliser pour l'apprentissage de la machine.
   5. Obtenir un marqueurs de LED et rétroréfléchissants infrarouges qui seront utilisés pour indiquer la position du stand et la main droite du participant, respectivement (voir les étapes 1.1.11 et 3.2.6).
   6. Obtenir la pédale pour la réponse du participant.
   7. Créer le programme sur mesure, qui permet d'enregistrer et d'afficher simultanément la position de réponse et la main droite du participant et de jouer un bip que la rétroaction de la réponse du participant lorsque la pédale est enfoncée. Dans ces expériences, la position de la main droite du participant a été recueillie à l'aide du dispositif de capture du moteur et son programme sur mesure selon les instructions du fabricant.
      NOTE: Selon un article précédent ^16, le programme a été développé avec une boîte à outils de développement de logiciels. Le programme sur mesure développé par la boîte à outils de développement logiciel peut être adapté pour d'autres marques d'appareils de capture de mouvement.
   8. Utilisez un métronome pour fournir des signaux de synchronisation pour la formation du mouvement de la main, qui est, tapant sur la surface du miroir ou un tableau noir. Voir l'étape 3.1.1 pour obtenir des instructions de formation précises.
   9. Utilisez un casque antibruit pour réduire la possibilité que le participant peut entendre les signaux sonores pour la position de la main.
   10. Pour la condition de rétroaction visuelle, fixer le miroir sur le stand. Pour la condition sans rétroaction visuelle, fixez le tableau noir sur le stand.
   11. Placez le LED infrarouge à la partie supérieure gauche du miroir ou un tableau noir.
2. Matériel et installation pour Sense de propriété et de l'Agence de mesure.
   1. Répétez la procédure de l'étape 1.1.1 à l'étape 1.1.11.
   2. Créer ou obtenir le questionnaire évaluant le sens de la propriété et organisme (par exemple, ^10,13,16). Le tableau 1 présente des exemples de ce questionnaire utilisé dans l'étude précédente ^15.
   3. Utilisez un moniteur ou un Tablet PC pour afficher le questionnaire du participant.

2. Les participants

1. Recruter environ 10 participants droitiers avec une vision normale ou corrigée à la normale.
   Remarque: Le nombre de participants peut être ajustée en fonction des objectifs expérimentaux et le nombre d'essais répétés par participfourmi.
2. Obtenir le consentement éclairé pour la participation avant le début de l'expérience.

3. Expérience Procédure

1. Phase de formation pour le mouvement de la main.
   1. Former les participants à exploiter de manière synchrone avec les deux mains sur le miroir ou tableau noir, à un certain tempo à l'aide du métronome. Demander aux participants d'effectuer le mouvement taraudage en gardant le talon de la main en contact avec le miroir ou le conseil. Au début de la formation, lancer le métronome à un rythme de 60 battements par minute, puis demander au participant de se déplacer les deux mains de manière synchrone en fonction du son du métronome.
   2. Assurez-vous que le moment du mouvement de la main du participant est proche de un cycle par seconde (environ 1 Hz) en la comparant au son du métronome plusieurs minutes après le début du taraudage.
2. Estimation de Proprioceptive Drift en sagittale médiane Plan du participant.
   1. Utilisez un ordre de conditions à travers les participants contre-balancée.
   2. Monter le miroir noir ou sur le support en fonction des conditions suivantes: une rétroaction visuelle, le support de miroir; sans rétroaction visuelle, monter le tableau noir.
   3. Assurez -vous que participant est assis très près du miroir ou tableau noir, qui est positionné le long du plan sagittal médian du participant (Figure 1).
   4. Assurez-vous que participant peut voir l'image miroir de la main gauche, mais ne peut pas voir la main droite réelle.
   5. Instruire participant à prêter attention à l'image de la main gauche dans le miroir pendant l'expérience.
   6. Mettez les marqueurs rétroréfléchissants à droite du bout des doigts et du poignet de l'indice du participant.
      1. Étant donné que les marqueurs ne sont mis sur la main droite du participant, assurez-vous que la sensation haptique de la main droite du participant en raison des marqueurs fixés n'est pas modifiée sensiblement par rapport à la main gauche en interrogeant laparticipant par voie orale.
   7. Mettez le casque anti-bruit sur les oreilles du participant.
   8. Demandez aux participants de déplacer la main gauche d'environ 30 cm verticalement et horizontalement 30 cm à partir du coin inférieur droit du miroir et de maintenir cette position de la main gauche pendant l'expérience. Cette position est définie comme étant l'origine de la surface du plan 2D.
   9. Demandez aux participants de placer la main droite à volonté sur l'autre côté du miroir ou de tableau et de maintenir sa position jusqu'à la fin du procès.
   10. Instruire le participant à la tâche comme suit:
       1. Au début de chaque essai, demander au participant de pousser le bouton du milieu de la pédale. A cette époque, le système émet un signal sonore à travers le casque comme la rétroaction de la presse de la pédale.
       2. Après avoir entendu le bip, demander au participant de commencer à taper avec les deux mains de manière synchrone à 1 Hz sur la carte, ce qui est le miroirla condition avec un retour visuel ou le tableau noir dans l'état sans rétroaction visuelle.
       3. Après plus de six mouvements de la main, demander au participant d'arrêter le mouvement au moment préféré et répondre à la question sur la position de la main droite en appuyant sur le bouton gauche à droite ou sur la pédale. Le bouton droit est un oui et la gauche est un non. La question est: «Pensez-vous que la droite et la main gauche sont dans la même position?" A ce moment, le participant entendra à nouveau un bip comme rétroaction pour la presse de la pédale.
          NOTE: Si les participants posent des questions sur le sens de «la même position», dites-leur que "même position" signifie que la hauteur subjective et la profondeur de la main droite sont équivalentes à celle de la main gauche.
       4. Demandez aux participants de déplacer leur main droite à un autre poste de leur choix. Puis, recommencer le procès. Ce cycle se poursuivra jusqu'à 200 essais par condition.
   11. Veiller à ce que le participant peut comprendre la tâche et demander au participant de redémarrer la tâche.
   12. Au cours de la tâche, vérifiez que le moment de la coulée du participant reste à environ 1 Hz en regardant le mouvement par rapport au métronome.
       Remarque: Le son du métronome peut être entendu que par l'expérimentateur.
   13. Après avoir terminé environ 100 essais, que le participant de prendre une pause.
   14. Effectuer l'expérience pour les autres conditions (avec ou sans rétroaction visuelle) à des jours différents.
3. Estimation du sens de la propriété et de l'Agence dans la Condition Mirror.
   1. Définir les positions de la main droite pour recueillir les réponses des participants sur le questionnaire sur le sens de la propriété et l'agence. Par exemple, dans une publication précédente ^16, il y avait 13 préfixés positions de la main droite. Ces points sont disposés tous les 7 cm jusqu'à ± 21 cm de l'origine.
   2. Effectuer la même procédure pour l'abestimation ove comme indiqué à l'étape 3.2.2 à l'étape 3.2.7.
   3. Demandez aux participants de placer la main droite en suivant le guide de l'expérimentateur et maintenir sa position jusqu'à terminer un essai.
   4. Instruire le participant à la tâche comme suit:
      1. Au début du procès, appuyez sur le bouton du milieu de la pédale. A ce moment, le participant entendra le bip que les commentaires de la presse de la pédale.
      2. Ensuite, commencez à taper les mains droite et gauche de manière synchrone à 1 Hz.
      3. Après plus de six fois de taraudage, arrêtez taraudage lorsque l'expérimentateur indique. Ensuite, répondez aux questions sur le sens de la propriété et l'agence affiché sur le moniteur en utilisant une échelle de Likert en 7 points qui varient de -3 ( «totalement en désaccord») à +3 ( «totalement d'accord») avec 0 indiquant ni accord ni désaccord ("incertain").
      4. Déplacez la main droite à la position que l'expérimentateur indique. Ensuite, démarrez le procèsencore. Ce cycle se poursuivra jusqu'au nombre de positions à droite que l'expérimentateur définit.
   5. Assurez-vous que le participant peut comprendre la tâche et demander au participant de démarrer la tâche.

Analyse 4. Données

1. L'analyse des proprioceptive Drift dans sagittale médiane Plan du participant.
   1. Obtenir l'outil statistique qui contient l'application de l' apprentissage machine, en particulier soutenir la machine de vecteur (par exemple, R, MATLAB). Utiliser la machine à vecteurs de support (SVM) que le classificateur pour extraire les frontières des réponses des participants. Une publication précédente fournit une explication pour les algorithmes du classificateur (voir le chapitre 7) ^20. Dans cet article, nous expliquons la méthode en utilisant R (version 3.1.2).
   2. Installez le package nommé "kernlab" ^21, qui contient l'analyse en utilisant SVM dans l'application de R.
   3. Marquez la zone qui montre proprioceptive dérive de la main comme suit (figure 2 décrit la représentation schématique du flux d'analyse de données). Voir le code logiciel supplémentaire et de l' échantillon de données pour plus d' explications sur cette analyse de données.
      1. Calculer les positions de la main droite par rapport à l'origine. Jeter des données avec des erreurs (par exemple, les données de position manquantes ou les réponses des participants) à partir de l'analyse.
      2. Faire un modèle probabiliste de «oui» les réponses des participants dans l'espace 2D en utilisant la SVM. Utiliser les données des réponses en tant que description symbolique du modèle. Utilisez les données de la position de la main droite, comme les paramètres du modèle. Utilisez le couramment utilisé base radiale fonction noyau comme le noyau pour le SVM. Afin d'éviter l'analyse arbitraire, calculer sigma (ie, le paramètre utilisé pour changer le poids de chaque point de données) par estimation sigma automatique.
      3. Assurez-vous que le modèle est correctement installé en vérifiant que the erreurs de formation du modèle sont sous 0,2. En utilisant le modèle probabiliste, définir la zone dans laquelle la valeur de p de «oui» les réponses des participants a été estimé à plus de 0,5.
   4. Calculer la moyenne des données de chaque participant de faire une zone qui montre la dérive proprioceptive.
      NOTE: Comme il est difficile de faire la moyenne de la frontière du «oui» et «non» zone de réponse estimée par les p-valeurs des réponses dans l'espace 2D, deux types de moyenne sont recommandés. Une méthode consiste à calculer la moyenne des valeurs de p pour les réponses des participants dans l'espace 2D, qui est la méthode utilisée avant d'estimer la frontière. L'autre méthode consiste à la moyenne de la taille de la zone, qui est utilisé après avoir estimé la frontière.
2. Analyse du questionnaire des données et Taille de la zone.
   1. Obtenir l'outil statistique pour évaluer l'importance de la position et les catégories du questionnaire (par exemple, SPSS ou R).
   2. Évaluer distributio normalen de toutes les données en utilisant le test de Shapiro-Wilk, et appliquer le test non-paramétrique approprié lorsque l' un ou plusieurs des ensembles de données correspondant ne répondaient pas aux critères de distribution normale (par exemple, test de Wilcoxon signé rang, test de Friedman).
      Remarque: Si une méthode non paramétrique qui convient à l'expérience fait défaut, utiliser une méthode paramétrique et expliquer le raisonnement. Dans une étude précédente ^16, dans les deux sens des mesures répétées ANOVA a analysé les données du questionnaire, car il n'y avait pas de substitut non-paramétrique pour cette analyse.

Résultats

Les résultats représentatifs d'une étude précédente sont présentés pour illustrer la méthode ^16. La figure 3A montre que les formes de la région où le participant n'a pas pu détecter le décalage entre la position de la main gauche et à droite spatiale différaient entre les conditions avec (miroir) et sans (tableau noir) visuel . rétroaction Figure 3B montre que la taille de la zone dans l'état avec un retour visuel ...

Discussion

Nous démontrons une méthode pour estimer la dérive proprioceptive dans un plan 2D au cours de l'illusion de miroir à l'aide SVM et de comparer le résultat avec les réponses au questionnaire pour le sens de la propriété et l'agence. Cette nouvelle méthode a révélé que le décalage nécessaire entre la rétroaction visuelle et proprioceptive pour maintenir la dérive proprioceptive est d'environ 10 cm et que ce décalage de près chevauche le décalage nécessaire pour maintenir le sentiment de...

matériels

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.