Caratterizzazione del senso dell'Agenzia sulle azioni della protesi operati interfaccia neurale-macchina

Riepilogo

Qui presentiamo un protocollo che caratterizza il senso dell'Agenzia ha sviluppato per il controllo delle protesi virtuale o robotizzato sensate di mano. Questionari psico-fisico sono impiegati per catturare l'esperienza esplicita dell'Agenzia, e le stime di intervallo di tempo (associazione intenzionale) sono impiegate per misurare in modo implicito il senso dell'Agenzia.

Abstract

Questo lavoro descrive un quadro metodologico che può essere utilizzato per esplicitamente e implicitamente caratterizza il senso dell'Agenzia ha sviluppato per il controllo di interfaccia neurale-macchina (NMI) della protesi virtuale o robotizzato sensate di mano. La formazione dell'Agenzia è fondamentale nel distinguere le azioni che realizziamo con le nostre membra come essendo nostro. Sforzandosi di incorporare avanzate protesi di arto superiore in questi stessi meccanismi percettivi, possiamo cominciare a integrare un arto artificiale più strettamente nel quadro conoscitivo esistente dell'utente per il controllo degli arti. Questo ha implicazioni importanti nel promuovere l'accettazione dell'utente, uso e controllo efficace delle protesi di arto superiore avanzati. In questo protocollo, i partecipanti controllano una protesi di mano virtuale e ricevere feedback cinestetico sensoriale attraverso loro NMIs preesistenti. Una serie di attività di afferramento virtuali vengono eseguite e perturbazioni sono sistematicamente introdotte per il feedback cinestetico e movimenti della mano virtuale. Sono impiegati due misure separate dell'Agenzia: stabilito questionari psico-fisico (per catturare l'esperienza esplicita dell'Agenzia) e un intervallo di tempo stimare il compito di catturare il senso implicito di agenzia (associazione intenzionale). Risultati di questo protocollo (questionario punteggi e intervallo di tempo stime) possono essere analizzati per misurare il limite di formazione Agenzia.

Introduzione

Come protesi robotiche diventano sempre più avanzate, l'importanza del feedback sensoriali pertinenti continuerà a crescere. Feedback sensoriale influisce su come gli esseri umani percepiscono, interagiscono e anche integrano macchine nel loro schema corporeo. Recenti tecniche di NMI possono ora fornire agli utenti la protesi con controllo intuitivo e raggiungere sensazioni associate toccare^{1,2,3,4,5,6 , 7} e cinestesi (senso di movimento)^8,9 in arti mancanti. Quando questa informazione sensoriale è accoppiata con le informazioni visive fornite da guardare l'arto artificiale durante il funzionamento, abbiamo accesso a elementi chiave che informano la distinzione di self -versus-altri. Sfruttando questo accesso può aiutare a portare la protesi utenti un passo più vicino a un arto artificiale di funzionamento come parte del loro corpo, piuttosto che solo uno strumento.

Consapevolezza del proprio corpo e il senso di essere incarnata nasce dall'istituzione dell'Agenzia (l'esperienza della paternità sulle azioni di un arto) e proprietà (la sensazione che un arto è una parte del corpo)^10,11. Proprietà è mediata principalmente attraverso l'integrazione di tocco e informazioni visive¹². Agenzia emerge dall'integrazione di intenti, la sensazione di movimento (cinestesi), informazioni visive e modelli cognitivi predittivi¹¹. Durante l'esecuzione di un'azione volontaria, l'Agenzia è formata quando le conseguenze sensoriali di quell'azione si allineano con intenti e le previsioni da modelli interni^{13 dell'esecutore}dell'esecutore. Agenzia è separato e distinto dalla proprietà. Il concetto di proprietà del membro è stato studiato frequentemente in protesi letteratura¹⁴. Un senso di forme di proprietà del membro in partecipanti NMI quando feedback tocco è spazialmente e temporalmente appropriato, come misurato in modo esplicito tramite questionari o in modo implicito attraverso i cambiamenti nella temperatura del moncone, o temporale ordine sentenze¹⁵. Tuttavia, meno opportunità hanno esistito per esplorare Agenzia nel contesto di NMI¹⁶. Lavoro recente con partecipanti di NMI ha dimostrato quello Agenzia può essere promosso espressamente ed è separata dall'esperienza della proprietà⁸.

Agenzia è particolarmente significativo nel funzionamento della protesi robotiche in quanto è un link conoscitivo al controllo delle azioni fisiche di arto artificiale attraverso esperienze di causalità, la sensazione di controllare l'arto artificiale o qualcosa per la causa accadere¹⁷. Protesi robotiche sono avanzate macchine computerizzate che l'utente deve cooperare con a completare in modo efficace le attività. Alcune membra prostetiche è integrate funzioni autonome, quali il grip antiscivolo rilevamento e correzione; Eppure questi sistemi hanno visto adozione limitata come funzionalità in esecuzione all'esterno il controllo dell'utente possono essere visualizzati come frustrante se non adeguatamente implementato^8,18. Questo rappresenta una sfida fondamentale che fa eco in applicazioni di cooperazione umana con macchine autonome. Cioè, gli esseri umani spesso fiducia delle proprie azioni rispetto a quelli derivanti da una collaborazione con computer o macchine, e questa fiducia direttamente influenza la probabilità di un operatore di utilizzare le funzioni autonome^19,20. Come esseri umani, ci fidiamo congenitalmente noi stessi e il nostro corpo per eseguire le azioni che intendiamo; Quando questo avviene, stabiliamo un senso intrinseco dell'Agenzia. È interessante notare che, la formazione dell'Agenzia è influenzata in azioni di cooperazione uomo-computer. Durante le attività cooperativa di umani, un sentimento comune dell'Agenzia può essere costituito sopra movimento²¹; Eppure, la letteratura suggerisce quello Agenzia condivisa è gravato durante la collaborazione uomo-computer^22,23. Queste sfide si riflettono nella protesica superiore-membro uso, e i tassi di rifiuto di dispositivi robotici rimangono elevati, con 23% - 39% degli utenti interrompendo il loro uso²⁴. In realtà, molti utenti di protesi ancora preferiscono sistemi alimentati a corpo²⁵. Questi sistemi rimuovono la macchina computerizzata dal ciclo di controllo e più intimamente coppia movimento del corpo dell'utente per il protesi movimento tramite cavi. Questo rafforza ulteriormente l'importanza dell'integrazione cognitiva nell'uso di avanzati dispositivi protesici. Suggeriamo che NMI sistemi in grado di fornire un numero dei pezzi sensoriali e motori necessari per aiutare spostare gli arti artificiali più vicino a stabilire un senso cooperativo dell'Agenzia, e questo sarà determinante nel promuovere l'accettazione e la reale integrazione di questi macchine computerizzate con i propri utenti.

Agenzia può essere misurata in un certo numero di modi. Le misure più semplice utilizzano questionari psico-fisico o scale che in modo esplicito chiedere ai partecipanti di chi o che cosa essi attribuiscono un evento^17,26,27. Questo si basa sulla percezione esistente di un individuo di "self" di richiedere ai partecipanti di fare sentenze inferenziale della auto-attribuzione (vale a dire, di giudicare in modo esplicito se "I" o un'altra entità era responsabile di un'azione o un evento). Le misure implicite forniscono la comprensione nei precedenti processi cognitivi che si verificano durante l'azione motoria e sensoriali eventi. Questo punto di vista dell'Agenzia tenta di misurare ciò che non viene percepito in modo esplicito da un individuo. In genere questo è possibile grazie ai partecipanti caratterizzano una differenza percepita in sé ed esternamente-generato azioni, per esempio avendo i partecipanti segnalano la durata di tempo che hanno percepito a verificarsi tra un auto ed esternamente evento generato ^{17 , 28}. durante l'esecuzione di azioni auto-generate, Agenzia implicitamente si manifesta come una compressione percettiva nel tempo tra le azioni e le loro conseguenze sensoriali, noti come intenzionale associazione²⁸. Quando gli individui segnalare il tempo che hanno percepito si verificano tra un'azione e il suo esito, una minore durata percepita di tempo corrisponde a un senso più fortemente formato di agenzia^29,30. Interessante, è stato dimostrato che misure esplicite e implicite non possono correlare direttamente come essi sono probabilmente che caratterizzano diversi meccanismi percettivi¹⁷ che informare insieme il senso dell'Agenzia. Come tale, che istituisce una comprensione più completa della formazione agenzia durante l'uso di protesi richiederà probabilmente protocolli sperimentali impiegando misure sia esplicite che implicite.

Questo lavoro descrive un quadro metodologico che può essere utilizzato per esplicitamente e implicitamente caratterizza il senso dell'Agenzia sviluppato sopra il controllo di NMI di sensate virtuale o robot protesi di mano. Sono evidenziati due tecniche per misurare agenzia durante l'esecuzione di un compito di afferrare oggetti sensorimotorio. Stabiliti questionari psico-fisico sono impiegati per catturare l'esperienza esplicita dell'Agenzia, mentre le stime di intervallo di tempo (associazione intenzionale) sono impiegate per misurare in modo implicito il senso dell'Agenzia.

L'ambito di questo protocollo è quello di valutare il senso dell'Agenzia nel contesto di un NMI che fornisce controllo motore attivo fisiologicamente rilevante e feedback cinestetico. Queste tecniche sono generalizzabili per sistemi protesici di NMI virtuali o fisici. Non ci sono restrizioni minime sulle popolazioni che possono essere reclutate per eseguire questo protocollo. Per esempio, la mobilità degli arti superiori del partecipante non può essere influenzata bilateralmente (devono avere un arto sano), e devono possedere la capacità cognitiva di esprimere giudizi basati sul tempo e articolare con esperienza sensazioni.

Protocollo

Questo protocollo è stato approvato in precedenza e segue le linee guida del Comitato di etica di ricerca umana della Cleveland Clinic.

1. hardware e Software di NMI

1. Stabilire ogni singolo partecipante NMI controllo e feedback in modo che quando si tenta di eseguire un movimento, vedono e sentono una protesi virtuale di completare quel movimento.
   1. Generare una percezione cinestetica mano attraverso NMI del partecipante e catturare la cinematica del movimento percepito avendo il partecipante di dimostrare ciò che sentono con loro mano intatto.
      Nota: Tecniche per caratterizzare cinematica cinestetica percept sono stati illustrati in altre opere⁸ e possono essere raggiunto utilizzando un guanto di dati o un sistema di ottica motion capture.
   2. Utilizzare una simulazione virtuale mano/protesica per riprodurre la cinematica della percezione del movimento.
   3. Impostare hardware per acquisire i segnali di controllo del movimento di mano intenzionale da NMI del partecipante.
   4. Mappa questo segnale di controllo per l'attività della protesi virtuale.
   5. Creare un programma di controllo master che coordina l'acquisizione del segnale di comando NMI, il movimento della protesi virtuale e la generazione di feedback cinestetico di NMI in tempo reale.

2. organizzazione sperimentale

1. Seduta del partecipante e posizionare un monitor in orizzontale (vale a dire, sulla sua parte posteriore, rivolta verso l'alto) su un tavolo davanti a loro.
2. Visualizzare la protesi virtuale sul monitor e regolare le dimensioni e la posizione in modo che è posizionato congruente con la posizione del loro arto mancante.
3. Rendering di oggetti (ad es., sfere di galleggiamento) in un ambiente virtuale per servire come punti di arresto per le posizioni di chiusura e aperte della mano (endpoint del movimento).
4. Configurare il programma di controllo master, in modo che quando le cifre virtuale fare contatto con i punti di arresto virtuale, un tono uditivo viene riprodotto dopo un ritardo regolabile (300, 500, 700 o 1.000 ms).

3. sperimentale condizioni

1. Costruire un file di input per il programma di controllo master che specifica le impostazioni per ogni prova, tra cui il ritardo di tono uditivo, se il feedback di NMI è acceso/spento, la velocità e la direzione del movimento mano virtuale e il ritardo tra il comando e la movimento della mano virtuale.
   1. Creare due condizioni di controllo, una linea di base e una condizione passiva.
      1. Per la condizione basale, configurare la cinematica e controllo della mano virtuale per abbinare la percezione cinestetica NMI.
         Nota: La condizione basale rappresenta la congruenza ideale del motore intento, cinematica del movimento e feedback cinestetico.
      2. Programmare lo stato passivo per eseguire un movimento di mano virtuale quando attivato dallo sperimentatore (rimuovendo il controllo da parte dell'utente) pur fornendo il partecipante con la percezione cinestetica NMI.
         Nota: La condizione passiva cattura le condizioni teoriche Agenzia peggiore (cioè, movimento in assenza di controllo [senza intento], simile al proprio corpo passivamente spostato).
   2. Condizioni aggiuntive di programma progettate per analizzare i contributi all'agenzia di motore intent, sensazione cinestetica e mancata corrispondenza temporale con la cinematica della protesi virtuale visualizzata. È consigliabile utilizzare le seguenti cinque condizioni.
      1. Fronte al movimento: il feedback cinestetico NMI indica che la mano si chiude mentre si apre la visualizzazione di mano.
      2. Troppo veloce: la visualizzazione di mano chiude più velocemente di quanto indicato dal feedback cinestetico NMI.
      3. Troppo lento: la visualizzazione di mano chiude più lento rispetto a quanto indicato dal feedback cinestetico NMI.
      4. Ritardo inizio: la mano visualizzazione chiude 1 s più tardi rispetto a quanto indicato dal feedback cinestetico NMI.
      5. Nessun feedback: la visualizzazione di mano si chiude senza alcun feedback cinestetico di NMI.

4. esecuzione dell'esperimento

1. Istruire i partecipanti all'unità la mano da aprire il posizione chiusa senza fermarsi e segnalare loro stima del ritardo di tempo da quando le cifre virtuale contattato i punti di fermata virtuale da quando hanno sentito il tono uditivo.
   Nota: I partecipanti possono utilizzare qualsiasi rappresentazione del tempo tra 0 e 1 s che rende più senso a loro (per esempio, millisecondi, frazioni di secondi, 0 - 10 scala).
2. Premendo un pulsante di avvio sul programma di controllo master, che si muove la mano virtuale alla posizione iniziale, segnando l'inizio della prova, avviare ogni prova. Questo il partecipante per guidare la mano virtuale per i punti di arresto virtuale, che provoca un tono uditivo a giocare dopo un ritardo casuale di stecche (300, 500 o 700 ms).
   1. Registrare il stima verbalmente riferito del partecipante dell'intervallo di ritardo di tempo.
3. Organizzare prove in blocchi sperimentali.
   1. Iniziare con due sessioni di prove e li esclude dall'analisi finale.
      1. Nella prima sessione di prove, l'unità partecipante la mano all'endpoint del movimento e giocare il tono uditivo 1.000 ms dopo le cifre virtuale raggiungono i punti di arresto virtuale per 10 prove.
         1. I partecipanti non devono segnalare gli intervalli stimati per questa sessione.
            Nota: Questo passaggio è necessario per orientare i partecipanti per quanto tempo un singolo secondo si sente.
      2. Nella seconda sessione di prove, ancora una volta, di avere l'unità partecipante la mano all'endpoint del movimento. Randomizzare i toni uditivi affinché gli intervalli di ritardo di 300, 500 e 700 ms sono presentati almeno 5 volte ciascuno.
         1. Chiedere ai partecipanti di segnalare gli intervalli di ritardo stimato.
         2. Non informare il partecipante di come le loro stime degli intervalli di ritardo sono vicino il ritardo effettivo durante queste prove di pratica o prove successive nel blocco sperimentale.
            Nota: Questo passaggio è importante in quanto i partecipanti sarà probabilmente inesperti nel fare sentenze di tempo su una scala di frazioni di secondo, e la procedura di test potrebbe non essere intuitiva al partecipante prova inesperte.
   2. Spostare set sperimentali di 15 prove per ogni condizione. Presentare le condizioni in ordine randomizzato e amministrare un questionario alla fine di ciascuna condizione.
      1. Istruire i partecipanti a riflettere sull'ultima serie di prove e completare il questionario di otto-istruzione Agenzia (include quattro domande per quantificare l'esperienza esplicita dell'Agenzia e quattro domande di controllo [esempio fornito per la File complementare])^8,26.
         1. Randomizzare le dichiarazioni di questionario per fornire almeno cinque ordini di domanda unica per essere presentati in modo casuale ai partecipanti.
   3. Terminare il blocco sperimentale con un set di 15 prove per lo stato passivo e amministrare un questionario dopo completamento di queste sperimentazioni.
      Nota: Amministrare le prove passive alla fine di ogni blocco sperimentale per evitare di interferire con un senso stabilito dell'Agenzia.
4. Completare quattro blocchi sperimentali con diversi ordini randomizzati di condizioni sperimentali.
5. Fornire molteplici opportunità per la durata della prova per i partecipanti di prendere una pausa. Non c'è nessun tempo minimo o limite di tempo per queste rotture, ma garantire che il partecipante non è fisicamente o mentalmente affaticato prima di continuare il test.

Risultati

Il protocollo sperimentale è stato effettuato con tre partecipanti amputato di funzionamento un sensate protesi virtuale tramite loro NMI⁸ (Figura 1). Il programma di installazione utilizzato una mano virtuale partecipante-controllabile in movimento attraverso i profili cinematici preprogrammati utilizzando il motore di fisica MuJoCo HAPTIX³¹. La mano virtuale è stata visualizzata su un monitor orizzo...

Discussione

Qui è presentato un quadro metodologico per caratterizzare l'esperienza dell'Agenzia formata durante il funzionamento sensate protesi via NMIs. In questo contesto, Agenzia è particolarmente rilevante, come si colma di azione fisica per i processi in background conoscitivo che modellano la percezione. Attraverso un partecipante protesi e NMI, abbiamo accesso diretto a una serie di elementi chiave che stabiliscono il senso dell'Agenzia: intento, potenza del motore e la sensazione di movimento. Di importanza al c...

Materiali

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.