Метод визуализации для проприоцептивной сносом на 2D плоскости, используя опорных векторов

Резюме

В данной статье описан новый метод оценки проприоцептивную дрейф на 2D плоскости, используя зеркальную иллюзию и сочетающего психофизического процедуру с использованием анализа машинного обучения.

Аннотация

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.

Введение

В последние годы исследования о смысле или опыта самостоятельного тела, то есть, собственное тело, увеличилось в контексте воплощения. Вариант осуществления относится к идее или концепции, имеющие физический или виртуальный орган, который может взаимодействовать с окружающей средой, такие как достижение, хватания, и трогательно. Например, люди могут коснуться объекта или другого человека, расположенный в окружающей среде, перемещая их собственное тело, в этом случае их собственные руки и кисти. В настоящее время, это взаимодействие или общение не ограничивается использованием собственного естественного тела. Из-за изобретения и развития человеческого типа роботов или аватаров в виртуальном мире, естественное человеческое тело может быть заменен искусственным телом, такие как гуманоидов, робот дистанционного управления, электрический протезом или компьютерной графики аватара в виртуальной реальности. Например, исследователи разработали робота, оператор может "захватить" объект, помещенный в передней части робота через его механическое тело, даже если робот находится далеко от положения тела ^1,2 оператора. Аналогично этому примеру, если человек может выполнить действие с помощью искусственного тела, какой орган будет проводить приписывание самостоятельного тела оператора?

Мы можем легко найти темы, связанные с этой дискуссии по атрибуции или проекции "Я" от собственного природного тела к искусственной, без плоти и костей тела. Одним из примеров можно найти в медицинской сфере; например, в области медицинской реабилитации, лечения, "трюк" само тело ощущение пациента с помощью зеркал в настоящее время изучаются для уменьшения боли и улучшения двигательной функции отсутствующего или парализованной конечности, называется зеркальной терапии ^3-6. В этой терапии, зеркальная образ неповрежденную часть тела или конечности может ввести в заблуждение мозг пациента, полагая, что недостающее или парализованной конечности соответствует воспроизведенной в зеркале и привести к чувству, что она до сих пор в немs Первое условие (т.е. до аварии). Он все еще обсуждается, как эта иллюзия влияет на устойчивость мозга, связанные с представлением тела. В дополнение к этому типу обсуждения на нашем естественном теле, мы можем найти подобные обсуждения по варианту, в особенности вопросов проектирования взаимодействия человека-системы в области машиностроения. Самоощущение для искусственного или виртуального тела хорошо изучен в контексте телеприсутствия, интерфейс мозг-машина, и мозг-компьютерного интерфейса ^1,2,7-9. Некоторые исследователи сообщили, что человекоподобный робот, который может передавать тактильные ощущения от его руки робота на руке оператора, может захватить смысл оператора собственного тела на робота, а также ощущение того, что в месте, где робот позиционируется а не там , где на самом деле существует оператор, который называется телеконвертора существование ^1. Другие исследователи сообщили, что виртуальный аватар отражает движения тела оператора сильнымLY передает смысл оператора собственного тела от собственного тела оператора в виртуальном теле ^9. Эти данные показывают, каким образом пользователи могут проецировать свое чувство собственного тела в искусственное тело, такие как гуманоидов, робот дистанционного управления, электрический протезом или компьютерной графики аватара в виртуальной реальности, даже если искусственное тело не напрямую связано с их мозг и тело.

Фундаментальные научные исследования по этому виду ощущения себя тела для не из плоти и крови, искусственные тела, как объекты были рассмотрены основные механизмы мозга для опыта самостоятельного тела с использованием резиновой руки иллюзию (RHI) и зеркало ^10-13 иллюзия (MI) ^14-16 в медицинских и инженерных областях, а также в психофизики и нейропсихологии. RHI это ощущение, что резиновая рука принадлежит к собственному телу и вызывается одновременным гладить видимую резиновую руку и затененное руку участника. В MI, рука IMAGE в зеркале, расположенной вдоль оси среднесагиттальных визуально фиксирует воспринимаемую позицию участника невидимого противоположной стороны. Кроме того, синхронные движения отраженной и невидимой рукой вызывают сильное ощущение, как будто отраженное изображение руки были невидимое противоположной рукой. Согласно исследованию на этих иллюзий, согласованность между мультимодальной информации и прогнозирования и сенсорной обратной связи о движениях тела, кажется, играет важную роль для суждения о присвоении самостоятельного тела. Таким образом, эти две иллюзии может быть простой, но мощный доказательства и инструменты для ученых, чтобы исследовать механизмы мозга, лежащие в основе нашего ощущения того, чтобы быть обманут или полагая, что некоторые искусственный объект или изображение может субъективно наша собственная часть тела, и что наше само тело ощущение делает не должны быть привязаны к нашему естественному физическому телу.

Во всех этих исследованиях, перечисленных выше, обсуждение было основано на концепции "Я" consistiнг двух типов ощущений , предложенных философа Gallagher ^17: чувство собственности и чувство агентства. Чувство собственности относится к ощущению, что наблюдаемая часть тела является родным. Чувство агентства соответствует ощущение, что движение тела является самообусловленным. Эти два ощущения определяются как минимальное себя, то есть непосредственное чувство самости ^16. Согласно этой концепции, приписывание "Я" для естественных, поврежденных, виртуальных и механических тел могут быть оценены с помощью одних и тех же показателей: чувство собственности и агентства. Для того, чтобы использовать эту шумиху для научной оценки, возникает вопрос о том, как измерить чувство собственности и агентства робастно. В настоящее время оценка чувства собственности и агентства в основном опирается на вопросники, первоначально предложенная Botvinick ^9. В дополнение к опросных листов, мы можем попытаться измерить их в количественном отношениях. Например, мошенник кожаответ кондактанса (SCR) , был использован в качестве физиологического показателя собственности в тех случаях , когда резиновая рука внезапно режут ножом ^18. ОПЗ рассчитывается путем измерения электрических характеристик кожи и является чувствительным и действительным показателем для возбуждения ^19. Так как этот метод обычно применяется для одиночных испытаний на каждого участника, измерения SCR не подходит в качестве физического индекса во время психофизических экспериментов, которые требуют повторных измерений в пределах участников. Одним из наиболее успешных поведенческих показателей для чувства собственности является проприоцептивная дрейф. Проприоцептивная дрейфа является изменение в воспринятой положение невидимого реального стороны в сторону положения объекта , который выглядит как рука, как, например резиновой производства протеза или компьютерная графика. ^10-13 Так как это изменение может быть оценена и многократно робастно путем измерения расстояния между невидимой рукой и реальным визуальным изображением руки, проприоцептивные дрейф яса подходящий физический показатель для психофизических измерений. Тем не менее, это использование следует оценивать тщательно, потому что недавние обсуждения поставили под сомнение ли проприоцептивные дрейф всегда может быть использован в качестве поведенческого индекса собственности ^12.

Как правило, проприоцептивные дрейф измеряется только в одном из трех направлений, таких как высота, ширина, или глубины. Проприоцептивная дрейф редко измеряется в нескольких направлениях из-за сложности оценки и визуализации многомерных данных. Этот метрологический ограничение не имеет решающего значения для фундаментальных исследований изучает механизмы, которые обрабатывают мультисенсорной информации, так как условия эксперимента могут быть легко спроектированы и контролировать, чтобы ограничить измеренные размеры. Тем не менее, в повседневной жизни, наши руки свободно двигаться в 3D, чтобы следовать наши намерения. В этой ситуации трудно и недостаточно, чтобы измерить поведение участника с опросных листов, что сильно ограничивает движение и позitions из рук. Таким образом, учитывая потенциальные заявки на чувство собственности и агентства в области машиностроения и реабилитации, измерения, которая включает несколько направлений и позволяет свободное движение рук необходимо оценить пространственное соотношение между визуальной и проприоцептивной обратной связи в ситуациях повседневной жизни. Если такое измерение было возможно, измеренное расстояние между реальным и наблюдаемым руки могут быть использованы в качестве ориентира для чувства собственного тела. Это может стать не только показателем прогресса реабилитации, но и критерием для пространственного сдвига между управляющей мишени на дисплее и операционной стороны. Остается открытым вопрос о том, как это измерение может быть осуществлено надежно и эффективно.

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мы вводим новый метод оценки проприоцептивную дрейфа, что соответствует смещению от положения невидимой руки реального участника к тому, что видимой рукой, как O▪ Таблица, на 2D плоскости, используя зеркальную иллюзию путем объединения психофизического процедуры и анализ с помощью машинного обучения. По сравнению с резиновой рукой, рука изображение в зеркале сильно захватывает воспринимаемую позицию участника невидимого реальной руки. Кроме того, зеркальное изображение сразу отражает произвольные движения рук для размещения рук. Таким образом, зеркальное изображение было выбрано в качестве визуальной обратной стороны от участника. Кроме того, для измерения проприоцептивную дрейф, похожий на ситуациях повседневной жизни, участники расположены их Невидимая рука проб по-проб по их желанию, и было увеличено число испытаний. Хотя любое сочетание направлений могли бы быть использованы, сочетание высоты и глубины была выбрана из-за легкости размещения зеркала по вертикали. Для проверки соответствия между нашим методом и предыдущих исследований ^13, были реализованы две визуальные условия: с и без визуальной обратной связи. В состоянии с визуальной обратной связью, зеркало W, как расположены вдоль среднесагиттальных плоскости, чтобы создать отраженное изображение с левой стороны, как будто это было видно, как правой рукой. В состоянии без визуальной обратной связи, матовая доска была использована для того, чтобы скрыть реальную правую руку участника. Мы оценивали эффективность этого нового метода, сравнивая результаты с результатами, полученными с помощью вопросника о смысле собственности и агентства.

протокол

Все аспекты эксперимента были одобрены Комитетом по этике Токийского технологического института по.

1. Экспериментальная установка

1. Материал и установка для измерения проприоцептивной Drift.
   1. Получить стенд , который может провести см пластину 100 х 100 по вертикали (рисунок 1).
   2. Получить стул, на котором участник может удобно сидеть во время эксперимента.
   3. Получают 100 х 100 см акриловый зеркало и матовый доске.
   4. Получить позицию трекера (например, SLC-C02, Cyverse) отслеживать правильное положение рук участника. Пространственное разрешение должно быть около 1,5 мм, чтобы обеспечить достаточное количество выборок, которые будут использоваться для машинного обучения.
   5. Получить инфракрасные маркеры LED и световозвращающие, которые будут использоваться для обозначения положения подставки и правую руку участника, соответственно (см шаги 1.1.11 и 3.2.6).
   6. Получите педаль для ответа участника.
   7. Создание заказных программа, которая может записывать и отображать одновременно отклика и правой позиции участника и играть звуковой сигнал в качестве обратной реакции участника при нажатии на педаль. В этих экспериментах, правая рука позиция участника была собрана с помощью устройства захвата двигателя и его заказные программу в соответствии с инструкциями производителя.
      Примечание: Согласно предыдущей статье ^16, программа была разработана с инструментария разработки программного обеспечения. Заказные программа, разработанная инструментарий разработки программного обеспечения может быть адаптирована для других марок устройств захвата движения.
   8. Используйте метроном, чтобы обеспечить синхронизирующие сигналы для подготовки движения рук, то есть, нажав на поверхности зеркала или на доске. См шаг 3.1.1 для точных инструкций обучения.
   9. Используйте наушники с шумоподавлением, чтобы уменьшить вероятность того, что участник может слышать звуковые сигналы для положения руки.
   10. Для визуального состояния обратной связи, прикрепить зеркало к подставке. Для условия без визуальной обратной связи, прикрепить доску к стойке.
   11. Поместите инфракрасный светодиод в верхнем левом углу зеркала или доске.
2. Материал и установка для измерения чувства собственности и Агентства.
   1. Повторите процедуру с шага 1.1.1 к шагу 1.1.11.
   2. Создать или получить анкету с оценкой чувства собственности и агентства (например, ^10,13,16). В таблице 1 приведены примеры из этого вопросника , используемого в предыдущем исследовании ^15.
   3. Используйте монитор или планшетный компьютер, чтобы отобразить вопросник участника.

2. Участники

1. Набирать около 10 правые участников с нормальным или скорректированным к нормальному зрению.
   Примечание: Количество участников может быть скорректирована в соответствии с экспериментальными целями и числа повторных испытаний на participмуравей.
2. Получить письменное информированное согласие на участие до начала эксперимента.

Процедура 3. Эксперимент

1. Этап подготовки для движения рук.
   1. Поезд участников синхронно нажмите обеими руками на зеркале или на доске при определенном темпе, используя метроном. Попросите участников выполнить выстукивая движение, держа пятки руки в контакте с зеркалом или доски. В начале обучения, запустить метроном в темпе 60 ударов в минуту, а затем поручить участнику переместить обе руки синхронно в соответствии с звуком метронома.
   2. Убедитесь в том, что время движения руки участника близка к одному циклу в секунду (примерно 1 Гц), сравнивая его звук метронома через несколько минут после начала разговоров.
2. Оценка проприоцептивной дрейфовать в Участника среднесагиттальном плоскости.
   1. Используйте уравновешивается порядок условий через участников.
   2. Установите зеркало или доски, на стенде исходя из условий: с визуальной обратной связи, установите зеркало; без визуальной обратной связи, установить доску.
   3. Убедитесь в том, что участник сидит очень близко к зеркалу или доске, которая расположена вдоль плоскости среднесагиттальных участника (рисунок 1).
   4. Убедитесь, что участник может увидеть зеркальное отражение левой руки, но не может видеть реальную правую руку.
   5. Попросите участников обратить внимание на образ левой руки в зеркале во время эксперимента.
   6. Поместите световозвращающих маркеры на указательным пальцем участника и запястья.
      1. Поскольку маркеры ставятся только на правую руку участника, убедитесь, что тактильные ощущения правой руки участника в связи с прилагаемыми маркеров не изменяется существенно по сравнению с левой рукой, запрашиваяучастник в устной форме.
   7. Помещенный шумоподавления наушники по уши участника.
   8. Попросите участника, чтобы переместить левой рукой примерно 30 см по вертикали и 30 см по горизонтали от нижнего правого угла зеркала и сохранить эту левую позицию стороны в ходе эксперимента. Это положение устанавливается как происхождение поверхности 2D плоскости.
   9. Попросите участников, чтобы поместить правую руку по своему желанию на другой стороне зеркала или на доске и сохранить свою позицию до конца судебного процесса.
   10. Попросите участника о задаче следующим образом:
       1. В начале каждого испытания, поручить участнику нажать среднюю кнопку педали. В это время, система будет передавать звуковой сигнал через наушники в качестве обратной связи нажмите на педаль.
       2. Услышав звуковой сигнал, инструктировать участника, чтобы начать коснувшись обеими руками синхронно с частотой 1 Гц на плате, которая является зеркалосостояние с визуальной обратной связи или доске в состоянии без визуальной обратной связи.
       3. После более чем шести движений рук, поручить участнику, чтобы остановить движение в предпочтительное время и ответить на вопрос о правильном положении рук, нажав на правую или левую кнопку на педаль. Правая кнопка является да и левая это нет. Вопрос заключается в том, "Вы чувствуете, что правая и левая рука находятся в том же положении делать?" В этот момент, участник раздается звуковой сигнал в качестве обратной связи для печати педаль снова.
          ПРИМЕЧАНИЕ: Если участники спрашивают о значении "той же позиции," сказать им, что "то же положение" означает, что субъективное по высоте и глубине правой руки эквивалентны тому, что в левой руке.
       4. Попросите участника, чтобы переместить правую руку на другую позицию по своему выбору. Затем начать судебный процесс снова. Этот цикл будет продолжаться до 200 испытаний на каждое условие.
   11. Убедитесь в том, что участник может понять задачу и попросить участника перезапустить задачу.
   12. Во время выполнения этой задачи, проверить, что время нарезании резьбы участника остается приблизительно 1 Гц, рассматривая движение по сравнению с метрономом.
       Примечание: Звук метронома можно услышать только экспериментатором.
   13. После окончания около 100 испытаний, пусть участник сделать перерыв.
   14. Выполните эксперимент для других условий (с или без визуальной обратной связи) на отдельные дни.
3. Оценка чувства собственности и Агентства в Зеркальном Состояние.
   1. Определить позиции правой руки для сбора ответов участника на вопросник о смысле собственности и агентства. Например, в предыдущей публикации ^16, было 13 приставкой правильные позиции рук. Эти точки были расположены через каждые 7 см до ± 21 см от начала координат.
   2. Выполните ту же процедуру для абОве оценка, как указано в шаге 3.2.2 к этапу 3.2.7.
   3. Попросите участника не поместить правую руку следуя руководство экспериментатора и сохранить свои позиции до окончания одного судебного процесса.
   4. Попросите участника о задаче следующим образом:
      1. В начале процесса, нажмите среднюю кнопку педали. В это время, участник будет услышать звуковой сигнал в качестве обратной связи нажмите на педаль.
      2. Затем начинают коснитесь правой и левой руки синхронно с частотой 1 Гц.
      3. После более чем в шесть раз выстукивать, нажав остановки, когда экспериментатор указывает. Затем, ответьте на вопросы о смысле собственности и агентства отображается на мониторе с помощью шкалы Лайкерта 7-балльной с оценками в пределах от -3 ( "категорически не согласен") до +3 ( "полностью согласен") с указанием 0 ни согласия, ни несогласия ( "неопределенными").
      4. Переместить правую руку к той позиции, что экспериментатор указывает. Затем запустите пробную версиюеще раз. Этот цикл будет продолжаться до числа правых позиций, что экспериментатор определяет.
   5. Убедитесь в том, что участник может понять задачу и попросить участника, чтобы запустить задачу.

Анализ 4. Данные

1. Анализ проприоцептивной дрейфовать в Участника среднесагиттальном плоскости.
   1. Получите статистический инструмент , который содержит приложение машинного обучения, особенно опорных векторов (например, R, MATLAB). Использование опорных векторов (SVM) в качестве классификатора для извлечения границ ответов участника. В предыдущей публикации дается объяснение алгоритмов классификатора (см главу 7) ^20. В этой статье мы объясним метод, используя R (версия 3.1.2).
   2. Установите пакет с именем "kernlab" ^21, в котором содержится анализ с использованием SVM в приложении R.
   3. Отметьте область, которая показывает proprioceptiве дрейф вручную следующим образом (рис 2 описывает схематическое представление потока данных анализа). См дополнительный программный код и выборку данных для дальнейшего объяснения этого анализа данных.
      1. Вычислить относительные правильные позиции руки от начала координат. Откажитесь данные с ошибками (например, отсутствующие данные о местоположении или ответов участника) из анализа.
      2. Сделать вероятностную модель "да" ответов участника в 2D пространстве с помощью SVM. Используйте данные из ответов как символическое описание модели. Используйте данные правого положения руки в качестве параметров модели. Используйте часто используемые функции ядра радиального базиса в качестве ядра для SVM. Для того , чтобы избежать произвольного анализа, расчета сигмы (то есть, параметр , используемый для изменения веса каждой точки данных) с помощью автоматической оценки сигмы.
      3. Убедитесь в том, что модель правильно установлена, проверяя, что е местое ошибки обучения модели находятся под 0,2. Используя вероятностную модель, определить область, в которой оценивалась р-значение "да" ответов участника, чтобы быть более 0,5.
   4. Усредненные данные каждого участника, чтобы сделать область, которая показывает проприоцептивную дрейф.
      Примечание: Поскольку трудно усреднить границу "да" и "нет" зоны ответа оценивается р-значений ответов в 2D пространстве, рекомендуется использовать два типа среднего. Одним из методов является усреднение Р-значения для ответов участника в 2D пространстве, которое является метод, используемый до оценки границы. Другой метод заключается в среднем размер области, которая используется после оценки границы.
2. Анализ данных анкеты и Площадь помещений.
   1. Получить статистический инструмент для оценки значимости позиции категории вопросника (например, SPSS или R) и.
   2. Оценка нормального distributioп всех данных с помощью теста Шапиро-Wilk, и применить соответствующий непараметрический тест , когда один или несколько соответствующих наборов данных не отвечают критериям для нормального распределения (например, Критерий Уилкоксона, Фридман тест).
      Примечание: Если непараметрический метод, который подходит для эксперимента отсутствует, используется параметрический метод и объяснить рассуждения. В предыдущем исследовании ^16, двухсторонняя повторных измерений ANOVA проанализировали данные анкеты, так как не было непараметрический заменой для этого анализа.

Результаты

Типичные результаты предыдущего исследования представлены для иллюстрации метода ^16. Фигура 3А показывает , что формы площадь , где участник не может обнаружить пространственное смещение между левым и правым положением руки отличались между условиями ?...

Обсуждение

Мы демонстрируем метод для оценки проприоцептивную дрейф в 2D плоскости во время зеркальной иллюзии с помощью SVM и сравнить результат с ответами на вопросник для чувства собственности и агентства. Этот новый метод показал, что требуемое смещение между визуальной и проприоцептивной обр...

Материалы

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.