Applicazione di stimoli visivi e tattili incongruenti durante il trasferimento di oggetti con feedback vibro-tattile

Riepilogo

Presentiamo un protocollo per applicare gli stimoli visivi-tattili incongruenti durante un'attività di trasferimento di oggetti. In particolare, durante i trasferimenti a blocchi, eseguiti mentre la mano è nascosta, una presentazione virtuale del blocco mostra occorrenze casuali di blocchi falsi. Il protocollo descrive anche l'aggiunta di feedback vibrotattili durante l'esecuzione del task motore.

Abstract

Raramente si esplorava l'applicazione di segnali sensoriali incongruenti che coinvolgono un feedback tattile interrotto, in particolare con la presenza di feedback vibrotattili (VTF). Questo protocollo mira a testare l'effetto di VTF sulla risposta a stimoli visivi-tattili incongruenti. Il feedback tattile viene acquisito afferrando un blocco e spostandolo su una partizione. Il feedback visivo è una presentazione virtuale in tempo reale del blocco mobile, acquisita utilizzando un sistema di Motion Capture. Il feedback congruente è la presentazione affidabile del movimento del blocco, in modo che il soggetto senta che il blocco è affinato e vederlo muoversi insieme al percorso della mano. Il feedback incongruente appare come il movimento del blocco diverte dal percorso di movimento effettivo, in modo che sembra cadere dalla mano quando è in realtà ancora detenuto dal soggetto, in modo da contraddire il feedback tattile. Venti soggetti (età 30,2 ± 16,3) ripetevano 16 blocchi di trasferimento, mentre la loro mano era nascosta. Questi sono stati ripetuti con VTF e senza VTF (totale di 32 blocchi di trasferimento). Gli stimoli incongruenti sono stati presentati casualmente due volte all'interno delle 16 ripetizioni in ogni condizione (con e senza VTF). Ogni soggetto è stato chiesto di votare il livello di difficoltà di eseguire il compito con e senza il VTF. Non vi sono state differenze statisticamente significative nella lunghezza dei percorsi delle mani e delle durate tra i trasferimenti registrati con segnali visivi-tattili congruenti e incongruenti – con e senza il VTF. Il livello di difficoltà percepito di eseguire l'operazione con il VTF significativamente correlato con la lunghezza del percorso normalizzato del blocco con VTF (r = 0,675, p = 0,002). Questa impostazione viene utilizzata per quantificare il valore additivo o riduttivo di VTF durante la funzione motoria che coinvolge incongruenti stimoli visivi-tattili. Le applicazioni possibili sono la progettazione protesica, l'abbigliamento sportivo intelligente o qualsiasi altro indumento che incorpora VTF.

Introduzione

Le illusioni sono sfruttazioni dei limiti dei nostri sensi, poiché percepiamo erroneamente le informazioni che si discosta dalla realtà oggettiva. La nostra inferenza percettiva si basa sulla nostra esperienza nell'interpretare i dati sensoriali e sul calcolo del nostro cervello della stima più affidabile della realtà in presenza di input sensoriale ambiguo¹.

Una sottocategoria nella ricerca delle illusioni è quella che unisce segnali sensoriali incongruenti. L'illusione che deriva da segnali sensoriali incongruenti proviene dalla costante integrazione multisensoriale eseguita dal nostro cervello. Mentre ci sono numerosi studi riguardanti l'incongruenza nei segnali visivi-uditivi, l'incongruenza in altre coppie sensoriali è meno segnalata. Questa differenza nel numero di report potrebbe essere attribuita alla maggiore semplicità nella progettazione di una configurazione che incorpora incongruenza visiva-uditiva. Tuttavia, gli studi che riportano i risultati relativi ad altre modalità di coppie sensoriali, sono interessanti. Ad esempio, l'effetto di segnali visivi-aptici incongruenti sulla sensibilità visiva² è stato studiato utilizzando un sistema in cui gli stimoli visivi e aptici sono stati abbinati in frequenza spaziale; Tuttavia, l'orientamento tattile e visivo era identico (congruente) o ortogonale (incongruente). In un altro studio, l'effetto di incongruenti stimoli di movimento visivo-tattile sulla direzione visiva percepita del movimento è stato studiato utilizzando uno stimolatore di integrazione cross-modale visivo-tattile con un pannello illuminato che presenta stimoli visivi e un tattile stimolatore che presenta stimoli di movimento tattili con direzione di movimento arbitrario, velocità e profondità di indentazione nella pelle³. È stato suggerito che rappresentiamo internamente sia la distribuzione statistica del compito e la nostra incertezza sensoriale, combinandole in un modo coerente con un processo bayesiano che ottimizza le prestazioni⁴.

La realtà virtuale ha fatto la capacità di ingannare il feedback visivo al soggetto un compito facile. Diversi studi hanno utilizzato la realtà virtuale multisensoriale per boli di informazioni visive e somatosensoriali. Ad esempio, la realtà virtuale è stata recentemente utilizzata per indurre l'incarnazione nel corpo di un bambino, con o senza attivazione di una distorsione vocale a forma di bambino⁵. In un altro esempio, la presentazione visiva della distanza percorsa durante l'auto-movimento è stata estesa ed è quindi incongruente con la distanza percorsa dai segnali a base di corpo⁶. Una configurazione di realtà virtuale simile è stata progettata per un'attività in bicicletta⁷. Tutta la suddetta letteratura, tuttavia, non combinava un'interferenza con uno dei sensi, oltre al segnale incongruente. Abbiamo scelto il senso tattile per ricevere un tale disturbo.

Il nostro sistema sensoriale tattile fornisce una prova diretta sul fatto che un oggetto sia affinato. Ci aspettiamo quindi che quando il feedback visivo diretto è distorto o non disponibile, il ruolo del sistema sensoriale tattile nelle attività di manipolazione degli oggetti sarà prominente. Ma cosa accadrebbe se anche il canale sensoriale tattile fosse disturbato? Questo è un possibile risultato dell'utilizzo di feedback vibrotattile (VTF) per l'aumento sensoriale, in quanto cattura l'attenzione del singolo⁸. Oggi, il feedback aumentato di diverse modalità viene utilizzato come strumento esterno, inteso a migliorare il nostro feedback sensoriale interno e migliorare le prestazioni durante l'apprendimento motorio, nello sport e nelle impostazioni di riabilitazione⁹.

Lo studio di incongruenti stimoli visivi-tattili può migliorare la nostra comprensione per quanto riguarda la percezione dell'input sensoriale. In particolare, la quantificazione del valore additivo o riduttivo di VTF durante la funzione motoria che coinvolge incongruenti stimoli visivi-tattili, può aiutare nel futuro disegno protesica, Smart sport-usura, o qualsiasi altro indumento che incorporano VTF. Poiché gli amputati sono privi di stimoli tattili all'aspetto distale del loro residuo, il loro uso quotidiano del VTF, incorporato nella protesi per trasmettere la conoscenza dell'afferrare, ad esempio, potrebbe influenzare il modo in cui percepiscono il feedback visivo. La comprensione del meccanismo di percezione in queste condizioni, consentirà agli ingegneri di perfezionare le modalità VTF per ridurre l'effetto negativo sugli utenti VTF.

Abbiamo mirato a testare l'effetto di VTF sulla risposta a stimoli visivi-tattili incongruenti. Nella configurazione presentata, il feedback tattile viene acquisito afferrando un blocco e spostandolo su una partizione; il feedback visivo è una presentazione virtuale in tempo reale del blocco in movimento e della partizione (acquisita utilizzando un sistema di Motion Capture). Dal momento che il soggetto è impedito di vedere il movimento effettivo della mano, l'unico feedback visivo è quello virtuale. Il feedback congruente è la presentazione affidabile del movimento del blocco, in modo che il soggetto senta che il blocco è affinato e vede muoversi insieme al percorso della mano. Il feedback incongruente appare come il movimento del blocco diverte dal percorso di movimento effettivo, in modo che sembra cadere dalla mano quando è in realtà ancora detenuto dal soggetto, in modo da contraddire il feedback tattile. Sono state testate tre ipotesi: quando si sposta un oggetto da un luogo all'altro utilizzando un feedback visivo virtuale, (i) il percorso e la durata del movimento di trasferimento dell'oggetto aumenteranno quando vengono presentati gli stimoli visivi-tattili incongruenti, (II) questa modifica sarà aumentare quando si presentano incongruenti stimoli visivi-tattili e VTF è attivato sul braccio mobile, e (III) si trova una correlazione positiva tra il livello di difficoltà percepito di eseguire il compito con il VTF attivato e il percorso e la durata del movimento di trasferimento dell'oggetto. La prima ipotesi proviene dalla suddetta letteratura che riporta che varie modalità di feedback incongruenti influenzano le nostre risposte. La seconda ipotesi riguarda le precedenti constatazioni che VTF cattura l'attenzione dell'individuo. Per la terza ipotesi, abbiamo ipotizzato che i soggetti che erano più disturbati dal VTF, si fideranno del feedback visivo virtuale più del loro senso tattile.

Protocollo

Il seguente protocollo segue le linee guida del comitato etico di ricerca umana dell'Università. Vedere la tabella dei materiali per il riferimento ai prodotti commerciali.

Nota: dopo aver ricevuto l'approvazione della Commissione d'etica universitaria, sono stati reclutati 20 individui sani (7 maschi e 13 femmine, media e deviazione standard [DS] di età 30,2 ± 16,3 anni). Ogni soggetto ha letto e firmato un modulo di consenso informato preprocessato. I criteri di inclusione erano persone destri di età pari o superiore a 18 anni. I criteri di esclusione erano qualsiasi compromissione neurologica o ortopedica che interessavano gli arti superiori o la compromissione visiva non corretta. I soggetti erano ingenui per le occorrenze di feedback visivo-tattile incongruente.

1. preparazione preliminare

1. Utilizzare la scatola di legno dalla scatola e blocchi di prova¹⁰. Le dimensioni della scatola sono 53,7 cm x 26,9 cm x 8,5 cm e nel mezzo di esso, è una partizione alta 15,2 cm. Posizionare uno strato di spugna morbida su entrambi i lati della partizione. Posizionare sei marcatori riflettenti passivi sull'aspetto opposto allo schermo, ai quattro angoli e su entrambe le estremità della partizione (Figura 1a).
2. Utilizzare una stampante 3D per fabbricare un cubo con le dimensioni di 2,5 cm x 2,5 cm x 2,5 cm, attaccato ad una base con le dimensioni di 4,5 cm x 4,5 cm x 1 cm. Prima di stampare, tagliare ogni angolo della base per creare un quadrato di dimensioni 1 cm x 1 cm ad ogni angolo (Figura 1a). Attaccare marcatori riflettenti passivi sui quattro angoli della base.
3. Posizionare un grande schermo di circa 1,5 m di fronte a un tavolo, in modo che un soggetto, in piedi dietro il tavolo, sia a circa 2 m dallo schermo. Posizionare la scatola sul tavolo, 10 cm dal bordo opposto allo schermo.
4. Utilizzare un sistema di acquisizione del movimento a 6 telecamere, attivato a 100 Hz, con un plug-in per visualizzare la partizione e il movimento del blocco in tempo reale (Figura 1). Calibrare il sistema di Motion Capture, secondo le linee guida del produttore, in modo che il blocco e la partizione della scatola siano riconosciuti come corpi rigidi.
   Nota: la corretta calibrazione del sistema di Motion Capture e l'utilizzo di piccoli marcatori che sono saldamente attaccati al blocco e alla partizione sono necessari per mantenere l'illusione.

2. posizionamento del sistema di feedback vibrotattile sul soggetto

Nota: il sistema VTF qui descritto è stato pubblicato in precedenza^11,12,13,14.

1. Istruire il soggetto di rimuovere orologio da polso, bracciali e anelli. Collegare il controller di sistema VTF all'avambraccio del soggetto (Figura 2, immagine a sinistra).
2. Collegare due sensori di forza sottili e flessibili all'aspetto palmare del pollice e delle dita indice su un sottile strato spugnoso (Figura 2, immagine a destra).
3. Posizionare un polsino sulla pelle del braccio superiore del soggetto (Figura 2, immagine a sinistra) e utilizzare il fissaggio per chiudere comodamente il polsino. Il bracciale conterrà tre attuatori vibrotattili attivati tramite una piattaforma di prototipazione elettronica a sorgente aperta ad una frequenza di 233 Hz in una relazione lineare con la forza percepita dai sensori di forza. I sensori di forza e gli attuatori vibrotattili sono collegati alla piattaforma di prototipazione elettronica a sorgente aperta tramite cavi elettrici schermati.

3. attivazione VTF

1. Premere il pulsante per attivare la batteria collegata al controllore (Figura 2, immagine a sinistra).
2. Chiedere al soggetto di premere le dita strumentate del sensore di forza (cioè il pollice e le dita indice) insieme leggermente. Si noti che il soggetto segnalerà un senso di vibrazione nell'area sotto il polsino.
3. Istruire il soggetto di allenarsi per 10 minuti nel afferrare il blocco con la massima leggerezza possibile, utilizzando solo le due dita strumentate. Chiedi al soggetto di sollevare il blocco, spostarlo e riposizionarlo sul tavolo più volte, tentando di applicare una quantità minima di forza sul blocco. Incoraggiate il soggetto a tentare di ridurre la forza applicata, anche se il blocco viene abbandonato durante la cattura.

4. posizionamento e preparazione del soggetto

1. Istruire il soggetto di stare vicino al tavolo (fino a 10 cm da esso), dove la scatola e la partizione sono posizionati.
2. Posizionare un divisore sul bordo del tavolo vicino al soggetto e sopra la scatola, in modo che il soggetto non sia in grado di vedere la scatola, ma può facilmente vedere lo schermo di fronte a lui o lei (Figura 1a). Per il divisore, utilizzare un materiale rigido non riflettente, preferibilmente in legno, fissato su un quattro gambe, che consentono la regolazione della loro altezza, per ospitare soggetti di diverse altezze.
3. Istruisci il soggetto a posizionare gli auricolari sulla sua testa.
4. Posizionare il blocco al centro del compartimento destro della scatola e guidare la mano del soggetto ad esso.

5. inizio del processo

Nota: la versione di prova descritta viene ripetuta due volte, con e senza VTF (si consiglia un disegno cross-over per verificare un effetto di apprendimento non). Per eseguire la prova senza VTF, spegnere la batteria collegata al controllore (Figura 2).

1. Attivare il software di controllo delle telecamere del sistema di Motion Capture.
2. Nel pannello di controllo del software di feedback visivo (Figura 1B), selezionare con/senza VTF, digitare il codice dell'oggetto, fare clic su Esegui, Connetti, Apri e Avvia.
3. Indicare al soggetto di eseguire 16 ripetizioni di trasferimento del blocco con la mano instrumentata del sensore di forza mentre si Visualizza il movimento del blocco virtuale sullo schermo (Figura 1B). Dopo ogni trasferimento, spostare il blocco di nuovo attraverso la partizione alla sua posizione di partenza.
4. Dopo che il soggetto ha completato 16 ripetizioni, fare clic su Interrompi.
5. Chiedere al soggetto di valutare il livello di difficoltà di eseguire il compito di trasferire il blocco 16 volte per doppio, con e senza il VTF, secondo la seguente scala:' 0' (non è affatto difficile),' 1' (leggermente difficile),' 2' (moderatamente difficile),' 3' (molto difficile), è 4' (estremamente difficile).

6. analisi post

1. Utilizzare i dati delle coordinate 3D del blocco per calcolare il percorso del blocco e il relativo tempo di trasferimento. Contrassegnare manualmente il tempo di inizio e di offset di ogni trasferimento come quando il blocco è all'altezza dei cerchi del lato destro (esordio) e poi a sinistra (offset) della scatola. Calcolare la lunghezza del percorso di ogni trasferimento in base alla seguente equazione:
   1
   dove e sono le coordinate 3D del blocco in due punti temporali successivi.
2. Per entrambe le condizioni, con e senza VTF, media la lunghezza del percorso e il tempo di trasferimento una volta per i due trasferimenti con segnali visivi-tattili incongruenti e una volta per i 14 trasferimenti con i segnali visivi-tattili congruenti.
3. Normalizzato il percorso e il tempo durante il trasferimento del blocco in presenza di segnali visivi-tattili incongruenti per il percorso e il tempo durante il trasferimento del blocco con la presenza di segnali visivi-tattili congruenti. Eseguire la normalizzazione separatamente per le due condizioni (con e senza VTF).
4. Eseguire una ANOVA a misure ripetute all'interno del soggetto con due fattori: VTF (con e senza) e incongruente feedback visivo-tattile (con e senza).
5. Se non ci sono differenze statistiche quando si analizzano i risultati seguendo le istruzioni riportate nella sottosezione 6,4, utilizzare le misure bayesiane ripetute ANOVAs con due fattori¹⁵.
6. Utilizzare il test di correlazione di Spearman con il livello di difficoltà percepito di eseguire il compito con il VTF attivato e con il percorso normalizzato e la durata del movimento
7. Impostare l'importanza statistica su p <. 05.

Risultati

Abbiamo usato la tecnica descritta per testare le tre ipotesi che quando si sposta un oggetto da un luogo ad un altro utilizzando il feedback visivo virtuale: (i) il percorso e la durata del movimento di trasferimento dell'oggetto aumenteranno quando gli stimoli visivi-tattili incongruenti sono presenti II) questa variazione aumenterà quando si presenteranno incongruenti stimoli visivi-tattili e si attiverà il VTF sul braccio mobile; e (III) si riscontrerà una correlazione positiva tra il livello di difficoltà percep...

Discussione

In questo studio, è stato presentato un protocollo che quantifica l'effetto dell'aggiunta di VTF sulla cinematica di trasferimento di oggetti in presenza di incongruenti stimoli visivi-tattili. Al meglio delle nostre conoscenze, questo è l'unico protocollo disponibile per testare l'effetto di VTF sulla risposta a stimoli visivi-tattili incongruenti. I diversi passaggi critici coinvolti nell'applicazione di incongruenti stimoli visivi-tattili durante il trasferimento di oggetti con VTF includono i seguenti: collegare il...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printer	Makerbot		https://www.makerbot.com/
Box and Blocks test	Sammons Preston		https://www.performancehealth.com/box-and-blocks-test
Flexiforce sensors (1lb)	Tekscan Inc.		https://www.tekscan.com/force-sensors
JASP	JASP Team		https://jasp-stats.org/
Labview	National Instruments		http://www.ni.com/en-us/shop/labview/labview-details.html
Micro Arduino	Arduino LLC		https://store.arduino.cc/arduino-micro
Motion capture system	Qualisys		https://www.qualisys.com
Shaftless vibration motor	Pololu		https://www.pololu.com/product/1638
SPSS	IBM		https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software