振動触覚フィードバックを用いた物体移動時の不適合視覚触覚刺激の適用

要約

我々は、オブジェクト転送タスク中に不適合の視覚触覚刺激を適用するためのプロトコルを提示する。具体的には、ブロック転送中に、ハンドが非表示の間に実行され、ブロックの仮想プレゼンテーションは、偽ブロックドロップのランダムなオカレンスを示す。このプロトコルは、モータタスクの実行中に振動フィードバックを追加する方法についても説明します。

要約

乱れた蝕知のフィードバックを含む不適合感覚信号の適用は、特に振動のフィードバック (VTF) の存在によって、探検されることはめったにない。このプロトコルは不適合視覚触覚刺激に対する応答に VTF の効果を試験することを目的としている。触覚フィードバックは、ブロックをつかんでパーティション全体に移動することによって得られます。視覚的なフィードバックは、モーションキャプチャシステムを使用して取得された移動ブロックのリアルタイムの仮想プレゼンテーションです。合同のフィードバックはブロックの動きの信頼できる提示であり、主題はブロックが把握されていると感じ、それが手のパスと共に動くのを見る。不適合フィードバックは、実際の移動経路からのブロック転送の動きとして表示されるので、実際には依然として被検者によって保持されているときに手から落とされるように見え、それによって触覚フィードバックに矛盾する。20人の被験者 (年齢30.2 ± 16.3) は、彼らの手が隠されている間、16ブロック転送を繰り返しました。これらは VTF と VTF なしで繰り返されました (合計32ブロック転送)。不適合刺激は、各条件での16回の繰り返しの中でランダムに2度提示された (VTF の有無にかかわらず)。各被験者は、VTF の有無にかかわらず、タスクを実行する難しさのレベルを評価するように求められました。VTF の有無にかかわらず、合同および不適合の視覚触覚信号で記録された転送間のハンドパスと期間の長さに統計的に有意な差はなかった。VTF を用いてタスクを実行する知覚困難レベルは、ブロックの正規化された経路長と VTF (r = 0.675, p = 0.002) と有意に相関していた。このセットアップは、不適合視覚触覚刺激を伴う運動機能中の VTF の添加物または還元価値を定量化するために使用されます。考えられる用途は、補綴設計、スマートスポーツウェア、または VTF を組み込んだその他の衣服です。

概要

客観的な現実から逸脱した情報を誤って認識するので、幻想は私たちの感覚の限界を悪用ています。私たちの知覚推論は、知覚データの解釈と、曖昧な感覚入力¹の存在下での現実の最も信頼できる推定の私たちの脳の計算における私たちの経験に基づいています。

幻想の研究のサブカテゴリーは、不適合感覚シグナルを組み合わせたものです。不適合の感覚シグナルから生じる錯覚は、私たちの脳によって行われる一定の多感覚の統合に由来します。視覚聴覚信号の incongruence に関する多くの研究がありますが、他の感覚のペアでの incongruence はあまり報告されていません。この数のレポートの違いは、視覚聴覚 incongruence を組み込んだセットアップの設計における、よりシンプルさに起因する可能性があります。しかし、他の感覚のペアモダリティに関連する結果を報告する研究は、興味深いものです。例えば、視覚感度²に不適合視覚触覚信号の効果は、視覚と触覚の刺激が空間周波数で一致したシステムを用いて研究された。しかし、触覚および視覚配向は同一 (合同) または直交 (不適合) であった。別の研究では、視覚刺激と触覚を提示する照明パネルを備えた視覚触覚クロスモーダル積分刺激器を用いて、知覚的な運動方向に不適合視覚触覚運動刺激の効果を調べた。刺激物は、皮膚³の任意の運動方向、速度、および圧痕深さを有する触覚運動刺激を提示する。我々は、内部的には、タスクの統計的分布と我々の感覚不確実性の両方を表しており、それらを性能最適化ベイジアンプロセス⁴と整合した方法で組み合わせることが示唆された。

バーチャルリアリティは、簡単な作業を対象に視覚的なフィードバックを欺く能力を作った。いくつかの研究は、視覚的およびつかさどる情報を misalign するために仮想現実多感覚使用しました。例えば、最近では、子供の体の中で実施形態を誘導するために仮想現実が使用され、子供のような音声ディストーション⁵の活性化の有無にかかわらず。別の例では、自己運動中の歩行距離の視覚的な提示は延長され、したがって身体ベースのキュー⁶によって感じられる移動距離と不適合れた。同様のバーチャルリアリティのセットアップは、サイクリング活動⁷のために設計されました。しかしながら、前述の文献のすべては、不適合信号に加えて、1つの感覚に干渉を結合していなかった。そのような乱れを受けるために触覚を選びました。

私達の蝕知の感覚システムは目的が把握されているかどうかについての直接証拠を提供する。したがって、直接的な視覚的フィードバックが歪められたり、利用できなくなったりすると、オブジェクト操作タスクにおける触覚システムの役割が顕著になることを期待しています。しかし、触覚チャネルも乱れた場合はどうなるでしょうか?これは、個々の⁸の注意をキャプチャするように、感覚拡張のための振動フィードバック (VTF) を使用しての可能な結果である。今日では、異なるモダリティの拡張フィードバックは、外部ツールとして使用され、私たちの内部感覚フィードバックを強化し、運動学習中、スポーツで、リハビリ設定⁹でパフォーマンスを改善することを意味します。

不適合視覚触覚刺激の研究は、感覚入力の知覚に関する我々の理解を高めることができる。特に、不適合視覚触覚刺激を伴う運動機能中の VTF の添加剤または還元価値の定量化は、将来の補綴物の設計、スマートスポーツウェア、または VTF を組み込んだその他の衣服を補助することができる。切断者は彼らの residuum の遠位側面で触覚刺激を奪われているので、VTF の毎日の使用は、例えば、把持の知識を伝えるために補綴物に埋め込まれる、彼らが視覚的フィードバックを知覚する方法に影響を与える可能性がある。これらの条件下での知覚のメカニズムの理解は、エンジニアが VTF ユーザーに負の影響を軽減するために完璧な VTF モダリティを可能にします。

我々は、不適合視覚触覚刺激に対する応答に VTF の効果を試験することを目的とした。提示されたセットアップでは、触覚フィードバックは、ブロックをつかんで、パーティションを横切って移動することによって得られる。視覚的なフィードバックは、移動ブロックとパーティション (モーションキャプチャシステムを使用して取得) のリアルタイムの仮想プレゼンテーションです。被験者は実際の手の動きを見ることができないので、唯一の視覚的なフィードバックは、仮想のものです。合同のフィードバックはブロックの動きの信頼できる提示であり、主題はブロックが把握されていると感じ、それが手のパスと共に動くのを見る。不適合フィードバックは、実際の移動経路からのブロック転送の動きとして表示されるので、実際には依然として被検者によって保持されているときに手から落とされるように見え、それによって触覚フィードバックに矛盾する。3つの仮説がテストされました: 仮想視覚的なフィードバックを使用してオブジェクトをある場所から別の位置に移動すると、(i) 不適合の視覚触覚刺激が示されたときにオブジェクトの移動運動のパスと継続時間が増加し、(ii) この変更は不適合の視覚触覚刺激が提示され、VTF が移動アーム上で活性化されたときに増加し、そして (iii) VTF を活性化してタスクを実行することの知覚された難しさのレベルとの間に正の相関が見出される。オブジェクトの移動モーションです。最初の仮説は、不適合のフィードバックの様々なモダリティが私たちの応答に影響を与えることを報告する前述の文献から始まります。第2の仮説は、VTF が個体の注意を捕捉するという以前の所見に関するものである。第3の仮説では、VTF によってより乱された被験者は、触覚よりも仮想視覚的フィードバックを信頼すると仮定した。

プロトコル

次のプロトコルは、大学の人間研究倫理委員会のガイドラインに従っています.市販品については、資料表を参照してください。

注: 大学倫理委員会の承認を得た後、健常個体20人 (男性7名および女性13歳、30.2 ±16.3 歳の平均および標準偏差 [SD]) を採用した。各被験者は、インフォームドコンセントフォーム前置を読み、署名した。封入基準は18歳以上の右利きの個人であった。除外基準は、上肢または未矯正の視力障害に影響を及ぼす神経学的または整形外科的な障害であった。被験者は、不適合の視覚触覚フィードバックの出現にナイーブであった。

1. 試験前準備

1. 箱から木箱を使い、テスト¹⁰をブロックします。箱の次元は 53.7 cm x 26.9 cm x 8.5 cm、それの中央で、15.2 cm の高い仕切りである。パーティションの両側に柔らかいスポンジ層を配置します。6つのパッシブ反射マーカーを画面の反対側、四隅、およびパーティションの両端に配置します (図 1a)。
2. 4.5 cm x 4.5 cm x 1 cm の寸法のベースに 2.5 cm x 2.5 cm x 2.5 cm の寸法の立方体を製造するには、3D プリンタを使用してください。印刷する前に、ベースの各コーナーをカットして、各角に 1 cm x 1 cm のサイズの正方形を作成します (図 1a)。ベースの四隅にパッシブ反射マーカーを取り付けます。
3. 大きなスクリーンをテーブルの前に約 1.5 m 置いて、テーブルの後ろに立っている被写体が画面から約2m になるようにします。画面と反対側の端から10cm のボックスをテーブルの上に置きます。
4. 100 Hz でアクティブ化された6つのカメラのモーションキャプチャシステムを使用して、パーティションとブロックの動きをリアルタイムで視覚化するためのプラグインがあります (図 1)。メーカーのガイドラインに従ってモーションキャプチャシステムをキャリブレーションし、ボックスのブロックとパーティションがリジッドボディとして認識されるようにします。
   注: モーションキャプチャシステムの適切なキャリブレーションとブロックとパーティションにしっかりと取り付けられている小さなマーカーの使用は、錯覚を維持するために必要とされます。

2. 対象に振動フィードバックシステムを配置する

注: 本明細書に記載される VTF システムは、以前に発表された^{11、12、13、14}。

1. 腕時計、ブレスレット、指輪を削除するように、件名に指示します。VTF システムコントローラを被写体の前腕に接続します (図 2、左の画像)。
2. 薄い海綿状の層の上に親指と人差し指の手掌の側面に2つの薄くて柔軟な力センサーを取り付けます (図 2、右の画像)。
3. ●被検者の上腕部の皮膚にカフを置き (図 2、左の画像)、ファスナーを使用してカフを快適に閉めます。袖口は力センサーによって感知される力への線形関係の 233 Hz の頻度でオープンソースの電子プロトタイピングのプラットホームによって作動する3つの振動のアクチュエーターを含んでいる。フォースセンサーと振動アクチュエータは、シールド電線を介してオープンソースの電子プロトタイピングプラットフォームに接続されています。

3. VTF 活性化

1. ボタンを押して、コントローラに接続されているバッテリをアクティブにします (図 2、左のイメージ)。
2. 被検者に力センサーのインストルメント化された指 (つまり、親指と人差し指) を軽く合わせてください。被写体がカフの下の領域に振動の感覚を報告することに注意してください。
3. 2つの計測された指のみを使用して、ブロックをできるだけ軽くつかむように、被験者に10分間のトレーニングを指示します。被検者にブロックを持ち上げてもらい、それを移動させると、そのブロックに最小限の力を加えようとして、何度かテーブルに戻します。被検者には、把持中にブロックが落とされたとしても、適用された力を減らそうとするよう促す。

4. 被写体の配置と準備

1. ボックスとパーティションが配置されている (それから10cm まで) テーブルの近くに立つように被験者に指示します。
2. 件名とボックスの上にあるテーブルの端に仕切りを配置し、件名にボックスが見えないようにしますが、目の前にある画面を簡単に見ることができます (図 1a)。ディバイダーのために、異なった高さの主題を収容するためにそれらの高さの調節を可能にする4本の足で固定される堅い非反射材料、好ましくは木、使用しなさい。
3. イヤホンを頭に置くように指示します。
4. ボックスの右側のコンパートメントの中央にブロックを配置し、それにサブジェクトの手を導く。

5. トライアル開始

注: 記載されている裁判は、VTF の有無にかかわらず、2回繰り返される (無学習効果を検証するためにクロスオーバー設計が推奨される)。VTF を使用せずにトライアルを実行するには、コントローラに接続されているバッテリの電源を切ります (図 2)。

1. モーションキャプチャシステムのカメラを制御するソフトウェアをアクティブにします。
2. ビジュアルフィードバックソフトウェアのコントロールパネル (図 1b) で、[/なし] を選択し、件名のコードを入力し、[実行]、[ 接続]、[VTF] をクリックします。
3. 画面上の仮想ブロックの動きを表示している間に、フォースセンサーのインストルメントされたハンドでブロックを転送する16回の繰り返しを実行するように、サブジェクトに指示します (図 1b)。各転送後、ブロックをその開始位置までパーティション全体に戻します。
4. サブジェクトが16回の繰り返しを完了したら、[停止] をクリックします。
5. 次のスケールに従って、VTF の有無にかかわらず、ブロックを16回転送するタスクの難易度を評価するようにサブジェクトに依頼します: ' 0 ' (まったく難しくありません)、' 1 ' (少し難しい)、' 2 ' (適度に難しい)、' 3 ' (非常に困難)、および ' 4 ' (非常に困難)。

6. ポスト分析

1. このブロックの3D 座標データを使用して、ブロックのパスとその転送時間を計算します。ブロックが右 (開始) のリムの高さにあり、ボックスの左 (オフセット) の場合のように、各転送の開始とオフセット時間を手動でマークします。次の式に従って、各転送のパスの長さを計算します。
   1
   次の2つのタイムポイントで、ブロックの3d 座標を指定します。
2. 両方の条件のために、VTF の有無にかかわらず、不適合視覚触覚信号を用いた2つの転送について、パスの長さと転送時間を1回、合同の視覚触覚信号で14回の転送を行います。
3. 不適合の存在下で、ブロック転送中のパスと時間によって、一致した視覚触覚信号の存在により、ブロック転送時の経路と時刻による経路と時間を標準化しました。2つの条件 (VTF の有無にかかわらず) に対して個別に正規化を実行します。
4. 以下の2つの因子を使用して、被験者内反復測定 ANOVA を実行します: VTF (の有無あり) と不適合の視覚的-触覚フィードバック (有無あり)。
5. サブセクション6.4 の指示に従って結果を分析するときに統計的差異がない場合は、2つの因子¹⁵を持つベイズ反復測定 ANOVAs を使用します。
6. スピアマンの相関テストを使用して、VTF をアクティブにし、正規化されたパスとモーションの継続時間でタスクを実行するという知覚困難レベル
7. P < に統計的有意性を設定します。

結果

私たちは、仮想の視覚的なフィードバックを使用してオブジェクトを1つの場所から別の位置に移動するときに、(i) 視覚触覚刺激が不適合ときに、物体の移動運動の経路と持続時間が増加する3つの仮説をテストするために、記述された手法を使用しました。提示(ii) この変化は、不適合の視覚触覚刺激が提示され、VTF が移動アーム上で活性化されるときに増加する。(iii) VTF をアクティブにし...

ディスカッション

本研究では、不適合視覚触覚刺激の存在下における物体移動運動学に VTF を付加する効果を定量化するプロトコルを提案した。私たちの知る限りでは、これは不適合視覚触覚刺激への応答に VTF の効果をテストするために利用可能な唯一のプロトコルです。VTF とのオブジェクト転送中の不適合視覚触覚刺激の適用に関連するいくつかの重要なステップは次のとおりです。被験者に VTF システム...

資料

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