Характеристика чувство агентства над действиями нейронных машина работает интерфейс протезы

Резюме

Здесь мы представляем протокол, который характеризует чувство агентства разработали контроля над чувственных виртуальный или роботизированной протеза руки. Психофизической вопросники используются для захвата явные опыт Агентства, и рассчитанное время интервала (преднамеренного привязки) работают косвенно измерить чувство агентства.

Аннотация

Эта работа описывает методологической основы, которая может использоваться для явно и неявно характеризуют чувство агентства разработали нейронные машинного интерфейса (NMI) контроля над чувственных виртуальный или роботизированной протеза руки. Создание агентства является основополагающим в отличительный действия, которые мы проводим с нашими конечностей, как наши собственные. Стремясь включить расширенные протезы верхних конечностей в эти же механизмы восприятия, мы можем начать более тесно интегрировать протеза пользователя существующих когнитивной основы для контроля конечности. Это имеет важные последствия в продвижении приемочного, использования и эффективного контроля над передовых протезы верхних конечностей. В этом протоколе участники контролировать виртуальный протезы рук и получать кинестетические сенсорной обратной связи через их существующих НМИ. Ряд виртуальных схватив задач выполняются и возмущения систематически вводятся кинестетические обратной связи и движений виртуальных рук. Две отдельные меры Агентства работают: создана психофизических анкеты (для захвата явные опыт агентства) и интервал времени оценить задача захватить неявные чувство агентства (преднамеренного привязки). Результаты этого протокола (результаты вопросника и интервал времени оценкам) могут быть проанализированы для количественной оценки степени образования Агентства.

Введение

Как робот протезы становятся все более передовые, важность соответствующих сенсорной обратной связи будет продолжать расти. Сенсорной обратной связи влияет, как люди воспринимают, взаимодействовать с и даже интегрировать их тела схемы машин. Последние методы NMI теперь можно предоставлять пользователям протеза с интуитивным управлением и достичь ощущения, связанные с touch^{1,2,3,4,5,6 , 7} и Кинестезии (движение смысл)^8,9 в недостающие конечности. Когда этот сенсорной информации в паре с визуальной информации, представленной наблюдая искусственной конечности во время операции, у нас есть доступ к ключевым элементам, которые информируют различие self -против-другие. Используя этот доступ может помочь принести протеза пользователей на шаг ближе к эксплуатации искусственных конечностей как часть их тела, а не просто инструмент.

Осознание тела и чувство что воплощенные возникает с момента создания агентства (опыт авторства над действиями конечностей) и собственности (ощущение, что конечности является частью тела)^10,11. Собственности главным образом опосредованное через интеграцию touch и визуальной информации¹². Агентство вытекает из интеграции намерениях, ощущение движения (Кинестезии), визуальной информации и прогнозирования когнитивные модели¹¹. Во время выполнения добровольных действий агентство образуется, когда сенсорные последствия этого действия выровнять с намерением исполнителя и прогнозы от исполнителя внутренние модели¹³. Агентство является отдельно и независимо от права собственности. Концепция собственности конечностей была изучена часто в протезировании литература¹⁴. Чувство конечности форм собственности в НМИ участников при пространственном и временном отношении уместно, как измеренных явно через вопросники или неявно через изменения в температуре культи, или временных решений¹⁵сенсорного. Однако существовали меньше возможностей для изучения Агентства в контексте NMI¹⁶. Последние работы с участниками NMI продемонстрировал, что Агентство может осуществляться целенаправленно и отдельно от опыт владения⁸.

Агентство является особенно важное значение для функционирования роботизированных протезов, как это когнитивные ссылку контроля над искусственной конечности физические действия через опыт причинности, чувство контроля протез или что-то произойти¹⁷. Робототехнические протезы являются передовыми компьютеризированной машин, которые пользователь должен сотрудничать с для эффективного выполнения задач. Некоторые протезами конечностей включили автономных функций, таких как сцепление скольжения обнаружения и коррекции; пока эти системы видели ограниченное принятие как функциональность, работающей вне контроля пользователя может рассматриваться как разочарование, если не надлежащим образом выполнены^8,18. Это представляет серьезный вызов, который повторяется на протяжении всего приложения человеческого сотрудничества с автономной машины. То есть люди часто доверять свои действия над теми результатом сотрудничества с компьютерами или машины, и это доверие непосредственно влияет на вероятность оператор для использования в автономных функций^19,20. Как люди мы врожденной доверять себе и наши тела, выполнять действия, которые мы намерены; когда это будет достигнуто, мы устанавливаем внутренне чувство агентства. Интересно, что формирование агентства разорвались в совместных действиях человека компьютер. Во время совместных задач человека общее чувство агентства могут быть сформированы на движение²¹; Тем не менее литературы свидетельствует о том, что общего агентства заполнены во время сотрудничества человека компьютер^22,23. Эти проблемы отражены в использования протезов верхних конечностей, и неприятие показатели роботизированных устройств остаются высокими, с 23% - 39% пользователей, прекращения их использования²⁴. В самом деле многие пользователи протеза по-прежнему предпочитают тела питание системы²⁵. Эти системы удалите компьютеризированная машина из цикла управления и более тесно пара движение тела пользователя для протеза движение через кабели провода. Это еще больше усиливает важность когнитивной интеграции в использовании современных протезов. Мы предлагаем что НМИ систем может обеспечить ряд необходимых сенсорных и моторных частей чтобы помочь двигаться протезов ближе к созданию совместных чувство агентства, и это будет сыграть важную роль в содействии принятию и подлинной интеграции этих компьютеризированные машины с их пользователями.

Агентство может измеряться несколькими способами. Простейших мер использование психофизического вопросники или шкалы, что явно попросите участников кого или чего они приписывают событий^17,,2627. Это основывается на существующих восприятие индивида «самоуправления», требуя от участников сделать логически выведенная суждения о самостоятельной атрибуции (то есть, явно судить ли «Я» или другой орган несет ответственность за действие или событие). Неявные меры обеспечивают проницательность в фоновом режиме когнитивных процессов, которые происходят во время действий моторных и сенсорных событий. Это мнение Агентства попытки измерить то, что явно не воспринимается индивидуума. Обычно это достигается путем иметь участники характеризуют воспринимается разница в себя и внешне сформированные действия, например наличие участников доклад продолжительность времени, которое они, как считается, происходят между самоуправления и внешне генерируемые события ^{17 , 28}. во время выступления самостоятельно генерируемые действиями, Агентство неявно проявляется как перцептивные сжатие времени между действиями и их сенсорные последствия, известный как преднамеренное привязки²⁸. Когда люди сообщают время, которое они, как считается, происходят между действия и его результаты, короче предполагаемой продолжительности времени соответствует более сильно сформированный чувство агентства^29,30. Интересно, что было продемонстрировано, что явные и неявные меры, не могут непосредственно коррелируют как они вероятно характеризующих различные механизмы восприятия¹⁷ вместе информировать чувство агентства. Таким образом создание более полное понимание формирования агентства во время использования протеза скорее всего потребует экспериментальные протоколы, используя явные и неявные меры.

Эта работа описывает методологической основы, которая может использоваться для явно и неявно характеризуют чувство Агентства за управление NMI чувственных виртуальный или роботизированной протезы рук. Выделяются два методы для измерения агентства при выполнении сенсомоторной схватив объект задачи. Установленным психофизических вопросники используются захватить явные опыт Агентства, в то время как время интервал оценки (преднамеренного привязки) работают косвенно измерить чувство агентства.

Сфера охвата этого протокола заключается в оценке чувство Агентства в контексте NMI, который обеспечивает физиологически соответствующих активного управления двигателем и кинестетические обратной связи. Эти методы являются обобщаемым виртуальный или физический протезов НМИ систем. Существуют минимальные ограничения для населения, которые могут быть наняты для выполнения настоящего Протокола. Например, мобильность участника верхних конечностей не могут быть затронуты на двусторонней основе (они должны иметь один звук конечностей), и они должны обладать когнитивные способности делать суждения, основанные на времени и сформулировать опытных ощущений.

протокол

Этот протокол был утвержден ранее и соответствует руководящим принципам Комитета по этике исследований человеческого Кливлендская клиника.

1. аппаратное и программное обеспечение NMI

1. Создание каждого отдельного участника управление NMI и обратной связи, так что когда они пытаются выполнить движение, они видят и чувствуют виртуальный протез полный движения.
   1. Генерировать кинестетические перцепции руку через участника NMI и захватить кинематика движения воспринимается, имея участник продемонстрировать, что они чувствуют, использование их нетронутой рукой.
      Примечание: Методы характеризовать кинестетические перцепции кинематики показали в других работ⁸ и может быть достигнуто с помощью данных перчатки или оптический движения захвата системы.
   2. Используйте виртуальный руку/протезов имитирует воспроизвести кинематика движения перцепции.
   3. Настройка оборудования для захвата преднамеренного ручные сигналы управления движением от участника NMI.
   4. Сопоставьте этот сигнал управления деятельности виртуального протеза.
   5. Создайте программу управления master, которая координирует приобретение управляющего сигнала NMI, движение виртуального протез и кинестетические NMI обратной связи в режиме реального времени.

2. экспериментальные установки

1. Сиденье участник и расположите монитор горизонтально (то есть, на его спине, вверх) на столе перед ними.
2. Отображение виртуальных протез на мониторе и отрегулировать его размер и расположение, так что он позиционируется конгруэнтно с расположением их недостающие конечности.
3. Визуализация объектов (например, Плавающие шары) в виртуальной среде в качестве точки останова для тесного и открытые позиции руки (конечные движения).
4. Настроить программу мастер управления так, что когда виртуальные цифры делают контакт с точками виртуальных стоп, слуховой тон играет после регулируемое время задержки (300, 500, 700 или 1000 мс).

3. экспериментальные условия

1. Создание входного файла для программы управления master, которая указывает параметры для каждого судебного разбирательства, включая задержка слуховой тон, ли обратная связь NMI включен вкл/выкл, скорость и направление движения виртуальных рук, и задержка между командой и виртуальный руки движения.
   1. Создайте два элемента управления условий, базового и пассивного состояния.
      1. Для исходного состояния настройте кинематики и управления виртуального руку, чтобы соответствовать кинестетические перцепции NMI.
         Примечание: Базового условие представляет идеальный нежелательному мотор намерения, кинематика движения и кинестетические обратной связи.
      2. Программа пассивного состояния для выполнения виртуального руки движение при срабатывании следователем (удаление элемент управления от пользователя) обеспечивая участник с кинестетической перцепции NMI.
         Примечание: Состояние пассивного захватывает теоретические наихудшего агентства условий (т.е., движение в отсутствие контроля [без намерения], похожие на свое тело перемещается пассивно).
   2. Дополнительные условия программы предназначены для разбора, вклад Агентства в мотор намерения, кинестетические ощущения и временное несоответствие с отображаемой кинематики виртуального протез. Рассмотрите возможность использования следующих пяти условий.
      1. Напротив движение: NMI кинестетические обратной связи указывает, что рука закрывается, а рука визуализации открывает.
      2. Слишком быстро: Визуализация рука закрывает быстрее, чем указано NMI кинестетические обратной связи.
      3. Слишком медленно: Визуализация рука закрывает медленнее, чем указано NMI кинестетические обратной связи.
      4. Начала задержки: рука визуализации закрывает 1 s позже, чем указано NMI кинестетические обратной связи.
      5. Нет обратной связи: Визуализация руки закрывается без каких-либо NMI кинестетические обратной связи.

4. Выполнение эксперимента

1. Проинструктируйте участников диск руки от открытого в закрытое положение без остановки и сообщить их оценки время задержки от когда виртуальные цифры связался с точками виртуальных стоп когда они услышали слуховой тон.
   Примечание: Участники могут использовать любое представление времени между 0 и 1 s, что делает большинство смысл для них (например, в миллисекундах, доли секунды, 0 - 10 масштаба).
2. Начало каждого судебного разбирательства, нажав кнопку Пуск по программе мастер управления, которая движется виртуальный руку в исходное положение, сигнализация начала судебного разбирательства. Это сигналы участник управлять виртуальный руку к точки виртуального стопа, который вызывает слуховой тон играть после рандомизированных задержки (300, 500 или 700 МС).
   1. Запись участника устно сообщил оценки интервала задержки времени.
3. Организация испытаний на экспериментальных блоков.
   1. Начать с двух тренировок и исключить их из окончательного анализа.
      1. В первой сессии практику участник диск руку к конечной точке движения и играть слуховой тон 1000 мс после того, как виртуальный цифры достигают виртуальный стоп очков за 10 испытаний.
         1. Участники не должны сообщать предполагаемое интервалы для этого практического занятия.
            Примечание: Этот шаг необходим для ориентации участников как долго один второй чувствует.
      2. Во второй сессии практику опять же, иметь участник привод руку к конечной точке движения. Рандомизировать слуховые сигналы так, что 300, 500 и 700 МС задержку интервалов представлены по крайней мере 5 x каждый.
         1. Попросите участников сообщить предполагаемое задержку интервалов.
         2. Не сообщить участник как их оценки интервалов задержки близки к фактическим задержки во время этих испытаний практики или последующих судебных разбирательств в блоке экспериментальной.
            Примечание: Этот шаг имеет важное значение, как участники, вероятно, будет неопытный в принятии время суждений в масштабе доли секунды, и процедура проверки не может быть интуитивно участнику стран тест.
   2. Перейти к экспериментальной наборы 15 испытаний для каждого условия. Условия в рандомизированных порядок и администрировать вопросник в конце каждого состояния.
      1. Поручить участникам задуматься над последний набор судебных разбирательств и заполнить анкету восемь заявление Агентства (включает в себя четыре вопроса для количественного определения явных опыт Агентства и четыре элемента управления вопросы [примера, приведенного в Дополнительный файл])^8,26.
         1. Случайном порядке заявления вопросник предоставлять по крайней мере пять уникальных вопрос заказы случайным образом представляться участникам.
   3. Конец экспериментальной блок с набором 15 испытаний для пассивного состояния и управлять вопросник после завершения этих испытаний.
      Примечание: Администрирование пассивной испытания в конце каждого экспериментального блока, чтобы избежать вмешательства с чувством агентства.
4. Выполните четыре экспериментальные блоки с различными рандомизированных заказы экспериментальных условиях.
5. Предоставляют множество возможностей на протяжении тестирования для участников взять перерыв. Существует нет минимального времени или ограничение по времени для этих перерывов, но убедитесь, что участник не является физически или умственно усталость до продолжения испытаний.

Результаты

Экспериментальный протокол была выполнена с тремя участниками лиц с ампутированными конечностями, действующих чувственных виртуальный протез через их дальность⁸ (рис. 1). Установка используется участник контролируемый виртуальный р...

Обсуждение

Представлены методологические рамки охарактеризовать опыт Агентства, образующихся при эксплуатации чувственных протезы через НМИ. В этом контексте Агентство особенно важна как мосты физических действий на фоне когнитивных процессов, влияющих на восприятие. Через участника про?...

Материалы

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.