Visualisierungsmethode für Propriozeptive Drift auf einer 2D-Ebene Verwenden von Support Vector Machine

Summary

Dieser Artikel beschreibt ein neues Verfahren proprioceptive Drift auf einer 2D-Ebene mit Hilfe der Spiegel Illusion zu schätzen und eine psycho-physischen Verfahren mit einer Analyse kombiniert maschinelles Lernen verwendet wird.

Abstract

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.

Introduction

In den letzten Jahren Forschung über den Sinn oder Erfahrung des Selbst-Körper, die, den eigenen Körper ist, hat sich im Zusammenhang mit der Ausführung erhöht. Ausführungsform bezieht sich auf die Idee oder das Konzept einer physischen oder virtuellen Körper zu haben, die mit der Umwelt, wie das Erreichen, greifen, und rührend in Wechselwirkung treten können. Zum Beispiel kann der Mensch ein Objekt oder einen anderen Menschen in der Umgebung positioniert berühren durch ihren eigenen Körper zu bewegen, in diesem Fall ihren eigenen Arm und Hand. Heutzutage wird diese Interaktion oder Kommunikation mit den eigenen natürlichen Körper beschränkt. Aufgrund Erfindungen und Entwicklung von menschenähnlichen Roboter oder Avatare in der virtuellen Welt kann die natürliche menschliche Körper durch einen künstlichen Körper ersetzt werden, wie zum Beispiel ein humanoid, Fernbedienung Roboter, elektrische Prothese oder Computer-Grafiken Avatar in der virtuellen Realität. Zum Beispiel entwickelten die Forscher einen Roboter, dessen Betreiber kann "erfassen" ein Objekt vor dem Roboter über seine mechanischen Körper gelegt, auch wenn die robot ist weit weg von der Bedienerkörperposition ^1,2 gegeben. Ähnlich wie bei diesem Beispiel, wenn ein Mensch eine Aktion über einen künstlichen Körper führen könnte, wobei der Körper würde die Zuordnung der Selbst Körper des Bedieners halten?

Wir können leicht Themen dieser Diskussion über die Zuschreibung oder Projektion des "Selbst" aus unserem eigenen natürlichen Körper zu einer künstlichen, nicht aus Fleisch und Knochen Körper im Zusammenhang finden. Ein Beispiel dafür kann im medizinischen Bereich gefunden werden; beispielsweise Anwendungen im Bereich der medizinischen Rehabilitation, die "Trick" der Selbstkörpergefühl des Patienten Spiegel verwendet werden zur Verringerung der Schmerzen und Verbesserung der motorischen Funktion eines fehlenden oder gelähmten Extremität, Spiegeltherapie ^3-6 genannt erforscht. In dieser Therapie kann das Spiegelbild des unbeeinflusst Körperteil oder in den Extremitäten des Gehirns des Patienten dazu verleiten, zu glauben, dass die fehlende oder gelähmte Glied zu dem im Spiegel angezeigt wird, entspricht und zu dem Gefühl führen, dass es immer noch drin ists früheren Zustand (dh vor dem Unfall). Es ist noch in der Diskussion, wie diese Illusion der Widerstandsfähigkeit gegenüber Körperdarstellung im Zusammenhang mit Gehirn auswirkt. Zusätzlich zu dieser Art der Diskussion über unsere natürlichen Körper, können wir ähnliche Diskussionen über Ausführung, vor allem der Mensch-System-Interaktion Design-Fragen auf dem Gebiet der Technik finden. Das Selbstwertgefühl für einen künstlichen oder virtuellen Körper wurde im Zusammenhang mit der Telepresence-, Gehirn-Maschine – Schnittstelle, und Brain-Computer Interface ^1,2,7-9 gut untersucht. Einige Forscher berichtet, dass ein menschenähnlichen Roboter, der die taktile Empfindung von seiner Roboterhand die Hand des Bedieners übertragen können, kann der Bediener das Gefühl der Selbst Körper an den Roboter zu erfassen sowie den Sinn an einem Ort zu sein, wo der Roboter positioniert ist, nicht dort , wo tatsächlich existiert der Betreiber, die so genannte Tele Existenz ^1. Andere Forscher berichteten, dass eine virtuelle Avatar des Betreibers Körperbewegungen stark reflektierendenly überträgt das Gefühl des Bedieners der Selbstkörper aus dem ⁹ eigenen Körper in den virtuellen Körper des Bedieners. Diese Ergebnisse zeigen, wie Anwender ihren Sinn für Selbst Körper in einen künstlichen Körper projizieren kann, wie ein humanoider, Fernbedienung Roboter, elektrische Prothese oder Computer-Grafiken Avatar in der virtuellen Realität, auch wenn der künstliche Körper nicht direkt mit ihren Gehirn und Körper.

Basis der wissenschaftlichen Forschung auf diese Art von Selbstkörpergefühl für nicht aus Fleisch und Blut, künstliche Körperähnliche Objekte auf die zugrunde liegenden Mechanismen des Gehirns für die Erfahrung der Selbst Körper mit der Gummihand – Illusion (RHI) ^10-13 und Spiegel Illusion (MI) ^14-16 in den Bereichen Medizin und Ingenieurwissenschaften sowie in der Psychophysik und Neuropsychologie. Der RHI ist das Gefühl, dass eine Gummihand auf den eigenen Körper gehört und von gleichzeitig streicht einen sichtbaren Gummihand und des Teilnehmers verdeckter Hand hervorgerufen. Im MI, eine Hand image in einer entlang der mittsagittalen Achse positioniert Spiegel optisch erfasst die wahrgenommen Position des Teilnehmers von der unsichtbaren Hand gegenüber. Außerdem synchrone Bewegungen des reflektierten und unsichtbare Hand erinnern an die starke Gefühl, als ob das reflektierte Bild Hand das Unsichtbare Gegenteil Hand waren. Laut der Forschung auf diesen Illusionen, scheint die Konsistenz zwischen multimodale Informationen und die Vorhersage und sensorische Rückmeldung über Körperbewegungen eine wichtige Rolle für die Beurteilung der Selbst Körper Zuschreibung zu spielen. Somit können diese beiden Illusionen einfache, aber leistungsfähige Beweis und Werkzeuge für die Wissenschaftler die Gehirnmechanismen zugrunde liegen unsere Gefühl wird ausgetrickst zu untersuchen oder zu glauben, dass einige künstliche Objekt oder Bild subjektiv eigenen Körperteil sein kann, und dass unser Selbstkörpergefühl tut nicht zu unserer natürlichen physischen Körper gebunden werden müssen.

In all diesen Studien oben aufgeführten, hat sich die Diskussion über den Begriff des "Selbst" consisti wurde basierendng von zwei Arten der Empfindung von dem Philosophen vorgeschlagen Gallagher ^17: das Gefühl der Eigenverantwortung und der Sinn der Agentur. Das Gefühl der Verantwortung bezieht sich auf das Gefühl, dass eine beobachtete Körperteil des eigenen eins ist. Das Gefühl der Agentur entspricht der Empfindung, die Körperbewegung versteht sich von selbst verursacht. Diese beiden Empfindungen werden als die minimale Selbst definiert, das heißt, sofort ein Gefühl des Selbst ^16. das Gefühl der Zugehörigkeit und Agentur: Nach diesem Konzept wird die Zuschreibung des "Selbst" für die natürlichen, beschädigt, virtuellen und mechanischen Körper können durch die gleichen Indizes ausgewertet werden. Um dieses Gefühl für die wissenschaftliche Auswertung zu verwenden, stellt sich die Frage, wie robust das Gefühl der Eigenverantwortung und Agentur zu messen. Derzeit beruht die Schätzung der Sinn des Eigentums und der Agentur vor allem auf Fragebögen, die ursprünglich von Botvinick vorgeschlagen ^9. Neben Fragebögen, können wir versuchen, sie in quantitativer Hinsicht zu messen. Zum Beispiel kann die Haut conLeitwert Reaktion (SCR) wurde als physiologischer Index des Eigentums in Fällen, in denen die Gummihand plötzlich mit einem Messer ¹⁸ geschnitten wird. Der SCR wird berechnet , indem die elektrischen Eigenschaften der Haut zu messen und eine empfindliche und gültiger Indikator für die Erregung ^19. Da bei diesem Verfahren typischerweise für einzelne Versuche pro Teilnehmer angewendet wird, ist die Messung SCR als physikalische Index während der Psychophysik Experimente nicht geeignet, die innerhalb Teilnehmer wiederholte Messungen erfordern. Eines der erfolgreichsten Verhaltensindizes für das Gefühl der Eigenverantwortung ist proprioceptive Drift. Propriozeptive Drift die Änderung in der wahrgenommenen Position des unsichtbaren echte Hand in Richtung der Position eines Objektes , das wie eine Hand, wie der Gummi hergestellte Prothese sieht oder Computergrafik ^10-13. Da diese Änderung wiederholt werden kann und robust geschätzt, indem der Abstand zwischen der unsichtbaren echte Hand zu messen und das visuelle Bild der Hand, proprioceptive Drift isa geeigneten physikalischen Index für psycho-physischen Messungen. Allerdings muss diese Verwendung sorgfältig ausgewertet werden, da die jüngsten Gespräche in Frage gestellt haben , ob proprioceptive Drift kann immer als Verhaltensindex Eigentums ¹² verwendet werden.

Typischerweise wird in nur einer der drei Richtungen, wie Höhe, Breite oder Tiefe propriozeptiven Drift gemessen. Propriozeptiven Drift selten in mehrere Richtungen aufgrund der Schwierigkeit des Schätzens und Visualisieren mehrdimensionalen Daten gemessen worden. Diese messtechnische Begrenzung ist nicht entscheidend für die Grundlagenforschung, die Mechanismen zu erforschen, die multisensorische Informationen verarbeiten, da Versuchsbedingungen leicht gesteuert konzipiert und werden die gemessenen Dimensionen zu begrenzen. Doch im täglichen Leben, unsere Hände frei in 3D bewegen, um unsere Absichten verfolgen. In dieser Situation ist es schwierig und unzureichend eines Teilnehmers Verhalten mit Fragebögen zu messen, die stark begrenzt die Bewegung und positions der Hände. So unter Berücksichtigung der möglichen Anwendungen für den Sinn des Eigentums und der Agentur in den Ingenieurwissenschaften und Rehabilitation, eine Messung, die mehrere Richtungen und ermöglicht die freie Handbewegung umfasst, ist notwendig, um die räumliche Beziehung zwischen visuellen und propriozeptiven Feedback in Situationen des täglichen Lebens zu bewerten. Wenn eine solche Messung möglich waren, die gemessene Entfernung zwischen realem und beobachtet die Hände könnten als Leitlinie für das Gefühl der Selbst Körper genutzt werden. Dies könnte nicht nur ein Indikator für den Fortschritt der Rehabilitation werden, sondern auch ein Kriterium für die räumliche zwischen dem manipulierten Ziel auf dem Display und der Bedienhand gegenüber. Es bleibt die Frage, wie kann diese Messung zuverlässig und effektiv umgesetzt werden.

Um diese Frage zu beantworten, führen wir ein neues Verfahren proprioceptive Drift zu schätzen, die sich aus der Position des Teilnehmers ungesehen echte Hand, dass eine sichtbare Hand wie o zur Verschiebung entsprichtbject, auf einer 2D-Ebene mit Hilfe der Spiegel Illusion, die durch eine psycho-physischen Verfahren zu kombinieren und eine Analyse des maschinellen Lernens mit. Im Vergleich zu einer Gummihand fängt die Hand Bild in einem Spiegel stark die wahrgenommen Position des Teilnehmers von der unsichtbaren echte Hand. Außerdem reflektiert ein Spiegelbild sofort freiwillig Handbewegungen für Hand-Platzierung. Somit wurde ein Spiegelbild als eine visuelle Rückmeldung der Hand des Teilnehmers ausgewählt. Darüber hinaus proprioceptive Drift ähnlich wie Situationen des täglichen Lebens zu messen, positioniert die Teilnehmer ihre verborgene Hand trial-by-Studie an ihrem Willen, und die Anzahl der Versuche erhöht wurde. Obwohl eine beliebige Kombination von Richtungen verwendet worden sein könnte, wurde die Kombination von Höhe und Tiefe des Plazierens des Spiegels senkrecht aufgrund der Einfachheit gewählt. Um zu überprüfen , Konsistenz zwischen unserer Methode und der bisherigen Forschung ^13, zwei Sichtbedingungen wurden umgesetzt: mit und ohne visuelles Feedback. In dem Zustand, mit visuellem Feedback, der Spiegel wentlang der Medianebene positioniert, um ein reflektiertes Bild der linken Hand zu erzeugen, als ob er als der rechten Hand zu sehen waren. In dem Zustand, ohne visuelles Feedback wurde eine matte Tafel verwendet, um dem Teilnehmer echte rechte Hand zu verbergen. Wir untersuchten die Wirksamkeit dieses neuen Verfahrens, indem die Ergebnisse zu denen mit einem Fragebogen über den Sinn des Eigentums und der Agentur erhalten zu vergleichen.

Protocol

Alle Aspekte des Experiments wurden von der Ethikkommission des Tokyo Institute of Technology genehmigt. 1. Experimenteller Aufbau Material und Einrichtung zur Messung Propriozeptive Drift. Besorgen Sie sich einen Stand, der eine 100 x 100 cm Platte halten kann vertikal (Abbildung 1). Besorgen Sie sich einen Stuhl, auf dem die Teilnehmer bequem während des Experiments sitzen kann. Besorgen Sie sich eine 100 x 100 cm Acryl Spiegel und matte Tafel. <li…

Representative Results

Repräsentative Ergebnisse einer früheren Studie vorgestellt 16 das Verfahren zu veranschaulichen. 3A zeigt , daß die Flächenformen , wo der Teilnehmer nicht die räumliche zwischen linken und rechten Position zwischen den Bedingungen (Spiegel) unterschieden Offset erkennen konnte und ohne (Tafel) visual . Feedback 3B zeigt , dass die Flächengrößen in den Zustand mit visuellem Feedback sind deutlich größer als im Zustand ohne visuelles…

Discussion

Wir zeigen ein Verfahren proprioceptive Drift in einer 2D-Ebene während der Spiegel Illusion zu schätzen SVM mit und das Ergebnis mit Antworten auf den Fragebogen für den Sinn des Eigentums und der Agentur zu vergleichen. Dieses neue Verfahren ergab, dass die zwischen visuellen und propriozeptiven Feedback erforderlichen Versatz proprioceptive Drift beträgt ca. 10 cm zu erhalten und dass dieser Versatz eng überlappt mit den erforderlichen Offset das Gefühl des Eigentums und der Agentur zu halten.

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Materials

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.