Méthode de visualisation pour Drift proprioceptive sur un plan 2D Utilisation Support Vector Machine

Summary

Cet article décrit une nouvelle méthode pour estimer la dérive proprioceptive sur un plan 2D en utilisant l'illusion de miroir et en combinant une procédure psychophysique avec une analyse en utilisant l'apprentissage machine.

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

Au cours des dernières années, la recherche sur le sens ou l'expérience de l'auto-corps, qui est, de son propre corps, a augmenté dans le contexte de réalisation. La forme de réalisation se réfère à l'idée ou le concept d'avoir un corps physique ou virtuel qui peut interagir avec l'environnement, tels que les atteindre, saisir, et touchante. Par exemple, les humains peuvent toucher un objet ou un autre humain positionné dans l'environnement en déplaçant leur propre corps, dans ce cas, leur propre bras et la main. De nos jours, cette interaction ou de communication ne se limite pas à l'utilisation de son propre corps naturel. En raison des inventions et le développement de robots ressemblant à des humains ou des avatars dans le monde virtuel, le corps humain naturel peut être substitué par un organisme artificiel, comme un humanoïde, un robot de contrôle à distance, prothèse électrique ou infographie avatar dans la réalité virtuelle. Par exemple, les chercheurs ont développé un robot dont l'opérateur peut "saisir" un objet placé devant le robot via son corps mécanique, même si le robot est placé loin de la position du corps ^{de 1,2} de l'opérateur. Semblable à cet exemple, si un être humain pourrait effectuer une action par l'intermédiaire d'un organe artificiel, quel organisme serait maintenir l'attribution de l'auto-corps de l'opérateur?

Nous pouvons facilement trouver des sujets liés à cette discussion sur l'attribution ou la projection de «soi» de notre propre corps naturel, un organisme non-chair et d'os artificiel. Un exemple peut être trouvé dans le domaine médical; par exemple, dans le domaine de la réadaptation médicale, les traitements qui "truc" la sensation d' auto-corps du patient en utilisant des miroirs sont explorées pour réduire la douleur et l' amélioration de la fonction motrice d'un membre manquant ou paralysé, appelé thérapie par le miroir ^3-6. Dans cette thérapie, l'image en miroir de l'insensible partie du corps ou d'un membre peut induire en erreur le cerveau du patient à croire que le membre manquant ou paralysé correspond à celle affichée dans le miroir et conduire à la sensation qu'il est encore en elles état antérieur (avant l'accident). Il est encore en discussion comment cette illusion affecte la résilience du cerveau liées à la représentation du corps. En plus de ce type de discussion sur notre corps naturel, nous pouvons trouver des discussions similaires sur mode de réalisation, en particulier des problèmes de conception interaction-système humain dans le domaine de l'ingénierie. Le sens de soi pour un corps artificiel ou virtuel a été bien étudiée dans le contexte de la téléprésence, interface cerveau-machine, interface cerveau-ordinateur ^1,2,7-9. Certains chercheurs ont rapporté qu'un robot humanoïde, qui peut transférer la sensation tactile de sa main de robot à la main de l'opérateur, peut capturer le sens de l'opérateur d'auto-corps du robot, ainsi que le sentiment d'être à un endroit où le robot est positionné plutôt que là où l'opérateur existe réellement, appelé télé-existence ^1. D'autres chercheurs ont rapporté qu'un avatar virtuel qui reflète les mouvements du corps de l'opérateur fortely transfère le sens de l'opérateur d'auto-corps à partir de son propre corps de l'opérateur au corps virtuel ^9. Ces résultats indiquent comment les utilisateurs peuvent projeter leur sens de l'auto-corps dans un corps artificiel, comme un humanoïde, un robot de contrôle à distance, prothèse électrique ou infographie avatar dans la réalité virtuelle, même si le corps artificiel ne soit pas directement liée à leur cerveau et le corps.

La recherche fondamentale scientifique sur ce type de sensation d' auto-corps pour non-chair et de sang, des objets du corps comme artificiels a examiné les mécanismes cérébraux sous – jacents pour l'expérience de l' auto-corps en utilisant l'illusion de la main en caoutchouc (RHI) ^10-13 et miroir illusion (MI) ^14-16 dans les domaines médicaux et d' ingénierie, ainsi que dans la psychophysique et de la neuropsychologie. La RHI est la sensation qu'une main en caoutchouc appartient à son propre corps et est évoqué en caressant simultanément une main en caoutchouc visible et la main obscurcie du participant. Dans le MI, une ima de la mainge dans un miroir positionné le long de l'axe sagittal médian capture visuellement la position perçue du participant de la main opposée invisible. En outre, les mouvements synchrones de la main réfléchie et invisible évoquent la sensation forte comme si l'image de la main réfléchie était la main opposée invisible. Selon la recherche sur ces illusions, la cohérence entre l'information multimodale et la prédiction et la rétroaction sensorielle sur les mouvements du corps semble jouer un rôle important pour le jugement d'attribution auto-corps. Ainsi, ces deux illusions peuvent avoir des preuves et des outils simples mais puissants pour les scientifiques d'étudier les mécanismes cérébraux qui sous-tend notre sensation d'être trompé ou de croire que certains objet artificiel ou de l'image peuvent subjectivement être notre propre partie du corps, et que notre sensation d'auto-corps fait ne pas avoir à être lié à notre corps physique naturel.

Dans toutes ces études indiquées ci-dessus, l'analyse est basée sur le concept de consisti "auto"ng de deux types de sensation proposés par le philosophe Gallagher ^17: le sentiment d'appartenance et le sens de l' agence. Le sentiment d'appartenance se réfère à la sensation qu'une partie du corps observé est la sienne. Le sens de l'agence correspond à la sensation que le mouvement du corps est auto-causé. Ces deux sensations sont définies comme l'auto minimal, qui est, un sens immédiat de soi ^16. Selon ce concept, l'attribution du «soi» pour les corps naturels, endommagés, virtuels et mécaniques peut être évalué par les mêmes indices: le sens de la propriété et l'agence. Pour utiliser cette sensation d'une évaluation scientifique, la question se pose de savoir comment mesurer le sens de la propriété et l'agence robuste. Actuellement, l'estimation du sentiment d'appartenance et l' agence repose principalement sur des questionnaires, initialement proposées par Botvinick ^9. En plus des questionnaires, on peut tenter de les mesurer de manière quantitative. Par exemple, le con de la peauRéponse de conductance (SCR) a été utilisé comme un indice physiologique de la propriété dans les cas où la main en caoutchouc est soudainement coupée par un couteau ^18. Le SCR est calculé en mesurant les caractéristiques électriques de la peau et est un indicateur sensible et valable pour ¹⁹ l' excitation. Étant donné que cette méthode est généralement appliquée pour les essais individuels par participant, SCR mesure ne convient pas comme un indice physique pendant psychophysique expériences qui nécessitent des mesures répétitives au sein des participants. L' un des indices de comportement les plus efficaces pour le sentiment d'appartenance est la dérive proprioceptive. Dérive proprioceptive est le changement dans la position perçue de la main réelle invisible vers la position d'un objet qui ressemble à une main, comme la prothèse constituée de caoutchouc ou infographie ^10-13. Depuis ce changement peut être estimé de façon répétitive et robuste en mesurant la distance entre la main réelle invisible et l'image visuelle de la main, la dérive proprioceptive isa index physique approprié pour les mesures psychophysiques. Toutefois, cette utilisation doit être évaluée avec soin, parce que les discussions récentes ont demandé si la dérive proprioceptive peut toujours être utilisé comme un indice de comportement de la propriété ^12.

Typiquement, la dérive proprioceptive est mesurée dans une seule des trois directions, telles que la hauteur, la largeur ou la profondeur. la dérive proprioceptive a rarement été mesurée dans de multiples directions en raison de la difficulté d'estimer et de visualisation de données multidimensionnelles. Cette limitation métrologique est pas critique pour la recherche fondamentale explorant les mécanismes qui traitent des informations multisensorielle, parce que les conditions expérimentales peuvent être facilement conçues et contrôlées pour limiter les dimensions mesurées. Cependant, dans la vie quotidienne, nos mains se déplacent librement en 3D pour suivre nos intentions. Dans cette situation, il est difficile et insuffisante pour mesurer le comportement d'un participant avec des questionnaires, qui limite sévèrement le mouvement et positions des mains. Ainsi, compte tenu des applications potentielles pour le sens de la propriété et l'agence dans l'ingénierie et la réhabilitation, une mesure qui comprend de multiples directions et permet le mouvement de la main libre est nécessaire pour évaluer la relation spatiale entre la rétroaction visuelle et proprioceptive dans des situations de la vie quotidienne. Si une telle mesure était possible, la distance mesurée entre les mains réelles et observées pourrait être utilisé comme un guide pour le sens de l'auto-corps. Cela pourrait non seulement devenir un indicateur pour le progrès de la réadaptation, mais aussi un critère pour le décalage entre la cible manipulée à l'écran et la main d'exploitation spatiale. La question reste de savoir comment cette mesure peut être réalisée de manière fiable et efficace.

Pour répondre à cette question, nous introduisons une nouvelle méthode pour estimer la dérive proprioceptive, ce qui correspond au passage de la position de la main réelle invisible du participant à celle d'un o comme à la main visiblebjet, sur un plan 2D en utilisant l'illusion de miroir en combinant une procédure psychophysique et d'une analyse à l'aide d'apprentissage de la machine. Par rapport à une main en caoutchouc, l'image de la main dans un miroir capte fermement la position perçue du participant de la main réelle invisible. De plus, une image en miroir reflète immédiatement les mouvements volontaires de la main pour le placement de la main. Par conséquent, une image en miroir a été choisie comme une rétroaction visuelle de la part des participants. En outre, pour mesurer la dérive proprioceptive semblable à des situations de la vie quotidienne, les participants placés leur procès par procès main cachée à leur gré, et le nombre d'essais a été augmenté. Bien que toute combinaison de directions aurait pu être utilisé, la combinaison de la hauteur et de la profondeur a été choisie en raison de la facilité de passer à la verticale du miroir. Pour vérifier la cohérence entre notre méthode et de la recherche précédente ^13, deux conditions visuelles ont été mises en œuvre: avec et sans rétroaction visuelle. Dans la condition de rétroaction visuelle, le miroir wcomme positionné le long du plan sagittal médian pour créer une image réfléchie de la main gauche, comme si elle était considérée comme la main droite. Dans la condition sans rétroaction visuelle, un tableau noir mat a été utilisé afin de cacher la main droite réelle du participant. Nous avons évalué l'efficacité de cette nouvelle méthode en comparant les résultats à ceux obtenus avec un questionnaire sur le sentiment d'appartenance et l'agence.

Protocol

Tous les aspects de l'expérience ont été approuvés par le Comité d'éthique de l'Institut de Technologie de Tokyo. 1. Configuration expérimentale Matériel et configuration pour la mesure de la dérive proprioceptive. Obtenir un support qui peut contenir une plaque cm 100 x 100 verticalement (Figure 1). Obtenir une chaise sur laquelle le participant peut asseoir confortablement pendant l'expérience. Obtenir un miroir acrylique 100 x …

Representative Results

Les résultats représentatifs d'une étude précédente sont présentés pour illustrer la méthode 16. La figure 3A montre que les formes de la région où le participant n'a pas pu détecter le décalage entre la position de la main gauche et à droite spatiale différaient entre les conditions avec (miroir) et sans (tableau noir) visuel . rétroaction Figure 3B montre que la taille de la zone dans l'état avec un retour visuel …

Discussion

Nous démontrons une méthode pour estimer la dérive proprioceptive dans un plan 2D au cours de l'illusion de miroir à l'aide SVM et de comparer le résultat avec les réponses au questionnaire pour le sens de la propriété et l'agence. Cette nouvelle méthode a révélé que le décalage nécessaire entre la rétroaction visuelle et proprioceptive pour maintenir la dérive proprioceptive est d'environ 10 cm et que ce décalage de près chevauche le décalage nécessaire pour maintenir le sentiment de…

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.