Caractérisation du sens de l’Agence sur les Actions de Neural-machine Interface commande prothèses

Résumé

Nous présentons ici un protocole qui caractérise le sens de l’agence mis au point pour le contrôle de sensorielles mains prothétiques virtuels ou robotiques. Psychophysiques questionnaires sont utilisés pour rendre l’expérience explicite de l’agence, et estimations d’intervalle de temps (liaison intentionnelle) sont employées pour mesurer implicitement le sens de l’Agence.

Résumé

Cet ouvrage décrit un cadre méthodologique qui peut être utilisé pour explicitement et implicitement caractériser le sens de l’agence mis au point sur le contrôle neural-machine interface (NMI) de sensorielles mains prothétiques virtuels ou robotiques. La formation de l’Agence est fondamentale pour distinguer les actions que nous effectuons avec nos membres comme étant notre propre. En s’efforçant d’intégrer les avancées des prothèses du membre supérieur dans ces mêmes mécanismes perceptifs, nous pouvons commencer à intégrer plus étroitement une prothèse cadre cognitif actuel de l’utilisateur pour le contrôle de la branche. Ceci a des implications importantes pour promouvoir l’acceptation par l’utilisateur, l’utilisation et un contrôle efficace des avancées prothèses du membre supérieur. Dans ce protocole, participants contrôlent une main prothétique virtuelle et rétroaction sensorielle kinesthésique à travers leurs INM préexistants. Exécute une série de tâches de préhension virtuels et perturbations sont systématiquement introduites dans les réactions kinesthésique et les mouvements de main virtuelle. Deux mesures distinctes d’agence sont employés : mis en place des questionnaires psychophysiques (pour capturer l’expérience explicite de l’Agence) et un intervalle de temps estiment tâche pour capturer le sens implicit de l’Agence (liaison intentionnelle). Résultats du présent protocole (scores du questionnaire et l’intervalle de temps estime) peuvent être analysées afin de quantifier le degré de formation de l’Agence.

Introduction

Comme les prothèses robotiques deviennent de plus en plus avancées, l’importance de la rétroaction sensorielle pertinente va continuer à croître. La rétroaction sensorielle influe sur les humains perçoivent, interagissent avec et même intègrent les machines dans leur schéma de corps. Les techniques récentes de NMI peuvent maintenant fournir membre utilisateurs contrôle intuitif et atteindre des sensations associées à touchent^{1,2,3,4,5,6 , 7} et kinesthésie (détection de mouvement)^8,9 membres manquants. Lorsque cette information sensorielle est jumelée avec l’information visuelle fournie en regardant le membre artificiel au cours de l’opération, nous avons accès à des éléments clés qui informent la distinction d’auto -versus-autres. S’appuyant sur cet accès peut aider à mettre les utilisateurs de membre un pas de plus à une prothèse de fonctionnement dans le cadre de leur corps, plutôt qu’un simple outil.

Conscience du corps et le sentiment d’être incarné résulte de la mise en place de l’Agence (l’expérience de l’auteur sur les actions d’un membre) et de la propriété (le sentiment qu’une branche est une partie du corps)^10,11. Propriété est véhiculée principalement par le biais de l’intégration du toucher et de l’information visuelle¹². Agence se dégage de l’intégration de l’intention, sensation de mouvement (kinesthésie), des informations visuelles et les modèles cognitifs prédictive¹¹. Pendant l’exécution d’une action volontaire, l’Agence se forme lorsque les conséquences sensorielles de ladite action alignent avec l’intention de l’artiste et les prédictions de modèles internes^{13 de l’interprète}. L’Agence est indépendante et distincte de la propriété. Le concept de propriété de membre a été étudié fréquemment dans la littérature de prothèse¹⁴. Un sens des formes de propriété limb chez les participants NMI quand rétroaction tactile est spatialement et temporellement appropriée, comme ordre mesurée explicitement par le biais de questionnaires ou implicitement des changements de température du moignon ou temporelle jugements¹⁵. Toutefois, moins d’opportunités existent pour explorer l’Agence dans le cadre du NMI¹⁶. Des travaux récents avec des participants de NMI a démontré que l’agence peut être promue de façon ponctuelle et est séparée de l’expérience de propriété⁸.

L’Agence est particulièrement significatif dans le fonctionnement des prothèses robotiques car c’est un lien cognitif au contrôle des actions physiques de la prothèse à travers des expériences de la causalité, le sentiment de contrôler la prothèse ou la provocation quelque chose à arriver à¹⁷. Prothèses robotiques sont avancées des machines informatisées que l’utilisateur doit coopérer avec pour réaliser efficacement des tâches. Certaines prothèses ont intégré des fonctions autonomes, telles que la poignée antidérapante détection et de correction ; Pourtant, ces systèmes ont vu adoption limitée comme fonctionnalité en cours d’exécution en dehors du contrôle de l’utilisateur peut être considérée aussi frustrante si non mise en œuvre adéquate de^8,18. Cela représente un défi fondamental qui trouve un écho dans l’ensemble des applications de la coopération humaine avec les machines autonomes. Autrement dit, les humains souvent confiance à leurs propres actions sur ceux qui résultent d’une collaboration avec ordinateurs physiques ou et cette confiance influence directement la probabilité de l’opérateur d’utiliser les fonctions autonomes^19,20. En tant qu’humains, nous espérons naturellement nous-mêmes et nos corps pour exécuter les actions que nous avons l’intention ; Lorsque cela est réalisé, nous établissons un sens intrinsèque de l’Agence. Fait intéressant, la formation de l’Agence est affectée à des actions de coopération homme-machine. Au cours de tâches coopératives humain, un sens partagé de l’Agence peuvent être formé au cours du mouvement²¹; Pourtant, la littérature suggère que l’Office partagé est grevé au cours de la coopération homme-machine^22,23. Ces défis sont reflétées dans les prothèses du membre supérieur utilisation et les taux de rejet des dispositifs robotiques restent élevés, avec 23 % - 39 % d’utilisateurs cesser leur utilisation²⁴. En fait, de nombreux utilisateurs de prothèse préfèrent encore systèmes corps²⁵. Ces systèmes d’éliminer la machine informatisée de la boucle de régulation et plus intimement couple mouvement du corps de l’utilisateur aux prothèse mouvement via câbles. Cela renforce l’importance de l’intégration cognitive dans l’utilisation des prothèses avancés. Nous suggérons de NMI systèmes peuvent offrir un certain nombre des pièces sensorielles et motrice nécessaires pour aider à déplacer les membres artificiels plus proche pour établir un sens coopératif de l’agence, et cela jouera un rôle important dans la promotion de l’acceptation et l’intégration réelle de ces machines informatisées avec leurs utilisateurs.

L’agence peut être mesurée dans un certain nombre de façons. Les mesures les plus simples utilisent des questionnaires psychologiques ou échelles qu’explicitement demandent aux participants à qui ou à quoi ils attribuent un événement^17,26,27. Cela dépend de la perception actuelle de l’individu de « soi » en demandant aux participants de porter des jugements inférentielles de l’attribution (c.-à-d., explicitement de juger si « I » ou une autre entité était responsable d’une action ou un événement). Les mesures implicites donnent un aperçu de l’arrière-plan des processus cognitifs qui se produisent pendant l’action moteur et sensoriels événements. Ce point de vue de l’Agence tente de mesurer ce qui n’est pas explicitement perçue par un individu. En général, ceci est réalisé en ayant les participants à caractériser une différence perçue en soi et extérieurement-généré par des actions, par exemple les participants signaler la durée de temps, qu'ils semblent pour se produire entre un individu et extérieurement-événement généré ^{17 , 28}. dans l’exercice des actions autoproduites, agence implicitement se manifeste par une compression perceptuelle dans le temps entre les actions et leurs conséquences sensorielles, appelées liaison intentionnelle²⁸. Lorsque les individus signalera le temps qu'ils ont percevaient entre une action et son résultat, une plus courte durée perçue correspond à un sentiment plus fortement formé d’agence^29,30. Fait intéressant, il a été démontré que des mesures explicites et implicites peuvent corréler pas directement car ils sont sans doute caractériser différents mécanismes perceptifs¹⁷ qui informent ensemble le sens de l’Agence. À ce titre, établissant une compréhension plus globale de formation de l’Agence lors de l’utilisation de prothèses nécessitera probablement des protocoles expérimentaux utilisant des mesures explicites et implicites.

Cet ouvrage décrit un cadre méthodologique qui peut être utilisé pour explicitement et implicitement caractériser le sens de l’agence mis au point le contrôle de NMI de sensorielles mains prothétiques virtuels ou robotiques. Deux techniques pour mesurer l’agence pendant l’exécution d’une tâche d’objet-préhension sensorimoteur sont mises en évidence. Questionnaires psychologiques établis sont utilisés pour rendre l’expérience explicite de l’agence, alors que les estimations d’intervalle de temps (liaison intentionnelle) sont employées pour mesurer implicitement le sens de l’Agence.

Le champ d’application du présent protocole est d’évaluer le sens de l’Agence dans le cadre d’un NMI assurant la motricité active physiologiquement pertinente et rétroaction kinesthésique. Ces techniques peuvent être généralisées aux systèmes de NMI prothétiques virtuels ou physiques. Il y a des restrictions minimales sur les populations qui peuvent être recrutées pour effectuer ce protocole. Par exemple, la mobilité des membres supérieurs du participant ne peut être affectée de façon bilatérale (ils doivent avoir une branche saine), et ils doivent posséder la capacité cognitive de porter des jugements basés sur le temps et d’articuler des sensations expérimentées.

Protocole

Ce protocole a été déjà approuvé et conforme aux lignes directrices du comité de déontologie de la recherche humaine de la clinique de Cleveland.

1. matériels et logiciels de l’INM

1. Définir chaque participant individuel contrôle NMI et rétroaction afin que lorsqu’ils tentent d’effectuer un mouvement, ils voient et qu’ils sentent une prothèse virtuelle terminer ce mouvement.
   1. Générer un percept kinesthésique de main par le biais NMI du participant et capturer la cinématique du mouvement perçu en ayant le participant de démontrer ce qu’ils ressentent à l’aide de leur main intacte.
      NOTE : Techniques pour caractériser la cinématique percept kinesthésique ont été illustrés dans d’autres œuvres⁸ et peuvent être réalisés à l’aide d’un gant de données ou un système de capture de mouvement optique.
   2. Une simulation virtuelle main/prothétique permet de reproduire la cinématique de la perception du mouvement.
   3. Configurer le matériel pour capter les signaux de commande de mouvement de main intentionnelle de NMI du participant.
   4. Mapper ce signal de commande à l’activité de la prothèse virtuelle.
   5. Créer un programme de contrôle qui coordonne l’acquisition de signaux NMI, le mouvement de la prothèse virtuel et la génération de commentaires de NMI kinesthésique en temps réel.

2. expérimental

1. Le participant de siège et placez un moniteur en position horizontale (c'est-à-diresur le dos, face vers le haut) sur une table en face d’eux.
2. Affichez la prothèse virtuelle sur l’écran et ajuster sa taille et son emplacement afin qu’il soit positionné congruente avec l’emplacement de leur membre manquant.
3. Restituer les objets (p. ex., flottant balles) dans l’environnement virtuel pour servir de points d’arrêt pour les positions étroites et ouvertes de la main (points de terminaison du mouvement).
4. Configurer le programme de contrôle maître afin que lorsque les chiffres virtuels prendre contact avec les points d’arrêt virtuel, un signal auditif est joué après un temps réglable retarder (300, 500, 700 ou 1 000 ms).

3. experimental Conditions

1. Créer un fichier d’entrée pour le programme de contrôle maître qui spécifie les paramètres pour chaque essai, dont le retard de ton audition, si la rétroaction NMI est mises en marche/arrêt, la vitesse et la direction du mouvement de la main virtuelle et le délai entre la commande et la mouvement de la main virtuelle.
   1. Créer deux conditions de contrôle, une ligne de base et une condition passive.
      1. Pour l’état initial, configurer la cinématique et le contrôle de la main virtuelle pour correspondre à la perception kinesthésique NMI.
         Remarque : La condition de base représente la congruence idéal d’intention moteur, cinématique du mouvement et la rétroaction kinesthésique.
      2. Programmer la condition passive pour effectuer un mouvement de main virtuelle lors du déclenchement de l’enquêteur (retirer le contrôle de l’utilisateur) tout en offrant le participant avec la perception kinesthésique NMI.
         Remarque : La condition passive capte les conditions théoriques plus pessimistes de l’Agence (c.-à-d., mouvement en l’absence de contrôle [sans intention], semblable à son corps passivement déplacé).
   2. Conditions supplémentaires du programme conçues pour analyser les contributions à l’agence d’intention moteur, sensation kinesthésique et décalage temporel avec la cinématique affichée de la prothèse virtuelle. Pensez à utiliser les cinq conditions suivantes.
      1. En face du mouvement : la rétroaction kinesthésique NMI indique que la main se ferme alors que la visualisation de la main s’ouvre.
      2. Trop vite : la visualisation de la main se ferme plus rapidement qu’indiqué par la rétroaction kinesthésique NMI.
      3. Trop lent : la visualisation de main ferme plus lentement que celle indiquée par la rétroaction kinesthésique NMI.
      4. Délai d’apparition : la visualisation main ferme 1 s plus tard que celle indiquée par la rétroaction kinesthésique NMI.
      5. Aucun retour d’information : la visualisation de main ferme sans n’importe quelle rétroaction kinesthésique NMI.

4. exécution de l’expérience

1. Instruire les participants à la main en voiture depuis l’ouverture de la position fermée sans s’arrêter et de faire rapport de leur estimation du temps écoulé depuis quand les chiffres virtuels a communiqué avec les points d’arrêt virtuel à quand ils ont entendu le signal auditif.
   NOTE : Les Participants peuvent utiliser toute représentation du temps entre 0 et 1 s qui fait le plus de sens pour eux (p. ex., millisecondes, fractions de secondes, un 0 - 10 échelle).
2. Débuter chaque essai en appuyant sur un bouton de démarrage sur le programme de contrôle principal, qui déplace la main virtuelle à la position de départ, le début du procès de signalisation. Cela cues le participant pour enfoncer la main virtuelle pour les points d’arrêt virtuel, ce qui provoque un signal auditif à jouer après un délai aléatoire (300, 500 ou 700 ms).
   1. Enregistrer estimation verbalement déclarés du participant de l’intervalle de délai.
3. Organiser des essais expérimentaux en blocs.
   1. Commencer avec deux séances d’essais et les exclure de l’analyse finale.
      1. Dans la première séance d’essais, ont le lecteur participant la main au point de terminaison de mouvement et joue la tonalité sonore 1 000 ms après que les chiffres virtuels atteint les points d’arrêt virtuel pour 10 essais.
         1. Les participants n’avez pas besoin de déclarer les intervalles estimés pour cette session d’exercices pratiques.
            Remarque : Cette étape est nécessaire pour orienter les participants à combien de temps un seul se sent ensuite.
      2. Dans la seconde séance d’essais, ont encore une fois, le lecteur participant la main au point de terminaison de mouvement. Alternez les tons auditifs afin que les intervalles de délai de 300, 500 et 700 ms sont présentés au moins 5 fois chacun.
         1. Demandez aux participants de rendre compte des intervalles de délai estimé.
         2. N’informent pas le participant de près leurs estimations des intervalles de délai sont pour le délai réel au cours de ces essais pratiques ou des essais subséquents dans le bloc expérimental.
            Remarque : Cette étape est importante car les participants seront probablement inexpérimentés en temps porter des jugements sur une échelle de fractions de seconde, et la procédure d’essai peut ne pas être intuitive au participant règlement test.
   2. Se déplacer aux coffrets de 15 essais pour chaque condition. Présenter les conditions dans un ordre aléatoire et d’administrer un questionnaire à la fin de chaque condition.
      1. Enjoindre aux participants de réfléchir à la dernière série d’essais et de remplir le questionnaire de huit-déclaration agence (comprend quatre questions à quantifier l’expérience explicite de l’Agence et quatre questions de contrôle [exemple fourni dans la Fichier supplémentaire])^8,26.
         1. Alternez les énoncés du questionnaire afin de fournir au moins cinq ordres de question unique qui sera présenté au hasard aux participants.
   3. Terminer le bloc expérimental avec un ensemble de 15 essais pour la condition passive et d’administrer un questionnaire après avoir terminé ces essais.
      NOTE : Administrer les essais passifs à la fin de chaque bloc expérimental pour éviter les interférences avec un sens de l’Agence.
4. Toutes les quatre blocs expérimentaux avec différents ordres aléatoires des conditions expérimentales.
5. Fournir des occasions multiples au cours de la durée des essais pour les participants de prendre une pause. Il n’y a aucune durée minimale ou la date limite pour ces pauses, mais s’assurer que le participant n’est pas fatigué physiquement ou mentalement, avant de poursuivre les essais.

Résultats

Le protocole expérimental a été réalisé avec trois participants amputé d’une prothèse virtuel sensorielles via leur NMI⁸ (Figure 1). La configuration utilisée une main virtuelle contrôlable par participant, se déplaçant à travers des profils cinématiques préprogrammées à l’aide de la MuJoCo HAPTIX de moteur physique³¹. La main virtuelle était affichée sur un écran horizontal devan...

Discussion

Ici, un cadre méthodologique est présenté afin de caractériser l’expérience de l’agence formé lors de l’utilisation des prothèses sensorielles via INM. Dans ce contexte, l’Agence est particulièrement pertinent car il comble des mesures physiques pour les processus cognitifs de fond qui façonnent la perception. Grâce à d’un participant prothèse et NMI, nous avons un accès direct à un certain nombre d’éléments clés à établir le sens de l’Agence : intention, puissance moteur et sen...

matériels

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.