שיטה להדמיה עבור דריפט פרופריוצפטיבי על המטוס 2 ד באמצעות מכונת תמיכה וקטור

Summary

מאמר זה מתאר שיטה חדשה להעריך להיסחף הפרופריוצפטיבית על מטוס 2D באמצעות האשליה במראה המשלב הליך psychophysical עם ניתוח באמצעות למידת מכונה.

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

בשנים האחרונות, מחקר על התחושה או הניסיון של גוף העצמי, כלומר, גוף של האדם עצמו, גדל בהקשר של התגלמות. התגלמות מתייחס לרעיון או רעיון שיש לי גוף פיזי או וירטואלי כי יכול לקיים אינטראקציה עם הסביבה, כגון לכת, אחיזה, ונוגע ללב. למשל, אדם יכול לגעת אובייקט או אדם אחר מיקומו של הסביבה על ידי הזזת הגוף שלהם, במקרה זה זרוע ויד משלהם. כיום, אינטראקציה או תקשורת זו אינה מוגבלת באמצעות הגוף הטבעי של האדם עצמו. בשל המצאות ופיתוח של רובוטים דמויים אדם או על דמויות בעולם הווירטואלי, הגוף האנושי הטבעי ניתן להחליף על ידי גוף מלאכותי, כגון דמויי אדם, רובוט בשלט רחוק, תותבת חשמלית, או גלגול בגרפיקה ממוחשבת במציאות מדומה. לדוגמה, חוקרים פיתחו רובוט המפעיל אשר יכול "לתפוס" אובייקט להציב מול הרובוט באמצעות הגוף המכני, גם אם רובוt מושם הרחק ^1,2 תנוחת הגוף של המפעיל. בדומה בדוגמא זו, אם אדם יכול לבצע פעולה באמצעות גוף מלאכותי, אשר הגוף יחזיק את הייחוס העצמי הגוף של המפעיל?

אנחנו יכולים למצוא נושאים הקשורים בקלות הדיון הזה על הייחוס או הקרנה של "עצמי" מהגוף הטבעי משלנו גוף מלאכותי, שאינו בשר ארוחה עצם. ניתן למצוא דוגמה אחת בתחום הרפואי; למשל, בתחום של שיקום רפואי, טיפולים כי "טריק" התחושה עצמית הגוף של המטופל באמצעות מראות הן נבדקים בהפחתת כאב ושיפור תפקוד מוטורי של איבר חסר או משותק, שנקראו ראי טיפול ^3-6. בטיפול זה, תמונת השיקוף של חלק הגוף המעושה או איבר יכולה להטעות את המוח של המטופל להאמין כי האיבר החסר או משותק תואם את אחד המוצג במראה להוביל את ההרגשה שזה עדיין אותומצבו של לשעבר (כלומר, לפני התאונה). זה עדיין תחת דיון כיצד האשליה הזאת משפיעה על העמידות של המוח הקשורים לייצוג הגוף. בנוסף לסוג זה של הדיון על הגוף הטבעי שלנו, אנחנו יכולים למצוא דיונים דומים על התגלמות, במיוחד של בעיות עיצוב אינטראקציה אנושית מערכת בתחום ההנדסה. תחושת העצמי עבור גוף מלאכותי או וירטואלי נחקרה גם בהקשר של נוכחות מרחוק, ממשק מוח-מכונה, והמוח-מחשב ממשק ^1,2,7-9. כמה חוקרים דיווחו כי רובוט דמויות-האדם, אשר יכול להעביר את תחושת מישוש מיד הרובוט שלו אל כף ידו של המפעיל, יכול ללכוד את תחושת המפעיל של גוף עצמי לרובוט כמו גם במובן של להיות במקום שבו הרובוט ממוצב במקום שבו המפעיל אכן קיים, שנקרא-קיום טלה ^1. חוקרים אחרים דיווחו כי גלגול וירטואלי המשקף את תנועות הגוף של המפעיל חזקly מעביר את תחושת המפעיל של גוף עצמי מגוף מפעיל עצם לגוף הווירטואלי ^9. ממצאים אלה מצביעים על אופן שבו משתמשים יכולים להקרין תחושת העצמי-גוף שלהם לתוך גוף מלאכותי, כגון דמויי אדם, רובוט בשלט רחוק, תותבת חשמלית, או גלגול-גרפיקה ממוחשבת במציאות מדומה, גם אם הגוף המלאכותי אינו מחובר ישירות שלהם מוח וגוף.

מחקר מדעי בסיסי על סוג זה של תחושה עצמית גוף הלא-בשר-ודם, איברי גוף דמוי מלאכותיים בחנו את מנגנוני המוח הבסיסיים בשביל החוויה של גוף עצמי באמצעות אשלית יד גומי (RHI) ^10-13 וראי אשליה (MI) ^14-16 בתחומי הרפואה וההנדסה וכן הפסיכופיסיקה ו בנוירופסיכולוגיה. RHI הוא התחושה יד גומי שייכת גוף של האדם עצמו, והוא עוררה על ידי מלטפת זמנית יד גומי גלויה מצד המוסתר של המשתתף. ב MI, יד IMAge במראה הממוקם לאורך ציר midsagittal חזותית לוכדת את המיקום הנתפס של המשתתף של היד הנגדית הסמויה. יתר על כן, תנועות סינכרוני של היד שקפה סמוי לעורר את התחושה החזקה כאילו התמונה ביד שקפה הייתה היד הנגדית הסמויה. על פי המחקר על האשליות האלה, העקביות בין מידע multimodal ואת חיזוי משוב תחושתי על תנועות גוף נראית לשחק תפקיד חשוב עבור השיפוט של ייחוס עצמי בגוף. לפיכך, שתי האשליות האלה יכולות להיות ראיות פשוטות אך רבות עצמה וכלים למדענים לחקור את מנגנוני המוח בסיסיים התחושה שלנו של להיות מרומה או להאמין כי חפץ או תמונה מלאכותי יכול להיות חלק בגופנו באופן סובייקטיבי משלו, וכי התחושה עצמית הגוף שלנו עושה לא צריך להיות קשור לגוף הפיזי הטבעי שלנו.

בכל המחקרים הללו המפורטים לעיל, הדיון כבר מבוסס על הרעיון של consisti "עצמי"ng משני סוגים של תחושה המוצעת על ידי הפילוסוף גלאגר ^17: את תחושת הבעלות ואת תחושת הסוכנות. תחושת הבעלות מתייחסת התחושה כי חלק גוף שנצפה הוא אדם עצמו. תחושת הסוכנות תואמת את התחושה כי תנועת גוף היא שגרם עצמית. תחושות שני אלה מוגדרים העצמי מינימלי, כלומר, תחושה מיידית של העצמי ^16. על פי תפיסה זו, הייחוס "העצמי" עבור הגופים הטבעיים, פגום, וירטואליים, מכאניים יכול להיות מוערך על ידי אותה האינדקסים: את תחושת הבעלות והסוכנות. על מנת להשתמש תחושה זו להערכה מדעית, נשאלת השאלה כיצד למדוד את תחושת בעלות סוכנות וחסונה. נכון לעכשיו, להערכת תחושת בעלות הסוכנות בעיקר מסתמכת על שאלונים, במקור שהציעו Botvinick ^9. בנוסף לשאלונים, שנוכל לנסות למדוד אותם בדרכים כמותית. למשל, טכ העורבתגובה ductance (SCR) שימש כמדד פיזיולוגי הבעלות במקרים בהם מצד גומי נחתך לפתע סכין ^18. על SCR מחושב על ידי מדידת המאפיינים החשמליים של העור הוא אינדיקטור רגיש תקף עורר ^19. מאז שיטה זו מיושמת בדרך כלל לניסויים אחת למשתתף, מדידת SCR אינו מתאים כמדד פיזי במהלך ניסויים הפסיכופיסיקה מחייבים מדידות חוזרות בתוך משתתפים. אחד המדדים התנהגותי המצליחים ביותר עבור תחושת הבעלות הוא להיסחף הפרופריוצפטיבית. להיסחף פרופריוצפטיבי הוא השינוי בעמדת הנתפס של היד האמיתית הסמויה לעבר העמדה של אובייקט שנראה כמו יד, כגון תותבת מתוצרת הגומי או גרפיקה ממוחשבת ^10-13. מאז השינוי הזה יכול להיות מוערך שוב ושוב ובאופן עמיד על ידי מדידת המרחק בין היד האמיתית תיראה ואת הדימוי החזותי של היד, להיסחף הפרופריוצפטיבית isa מדד פיזי מתאים מדידות פסיכופיסיות. עם זאת, שימוש זה צריך להיות מוערך בזהירות, כי הדיונים האחרונים הביעו חששות לגבי להיסחף הפרופריוצפטיבית תמיד יכול לשמש כמדד התנהגותי הבעלות ^12.

בדרך כלל, להיסחף הפרופריוצפטיבית נמדדת רק אחד משלושה כיוונים, כגון גובה, רוחב, או עומק. להיסחף הפרופריוצפטיבית מעט נמדד בכיוונים מרובים בשל הקושי לאמוד באופן חזותי נתונים רבים מימדיים. הגבלה המטרולוגי זה אינה קריטית למחקר בסיסי לחקור את המנגנונים לעבד מידע רב חושי, כי יכולים להיות מתוכננים תנאי ניסוי בקלות והמבוקר להגביל את הממד הנמדד. עם זאת, בחיי היומיום, בידינו לנוע בחופשיות 3D לעקוב כוונותינו. במצב זה, קשה ובלתי מתאים כדי למדוד התנהגות של משתתף עם שאלונים, תנועת גבולות אשר קשות positions של הידיים. לפיכך, בהתחשב היישומים הפוטנציאליים עבור תחושת בעלות הסוכנות בהנדסה ושיקום, מדידה הכוללת כיוונים רבים ומאפשרת תנועת יד חופשית דרושה על מנת להעריך את הקשר המרחבי בין משוב החזותי הפרופריוצפטיבית במצבים בחיי היומיום. אם מדידה כזה אפשרי, המרחק המדוד בין ידות אמיתיות ציינו יכול להיות מנוצל כקו מנחה את תחושת-הגוף עצמי. זה לא יכול רק להיות אינדיקטור להתקדמות שיקום אלא גם קריטריון המרחבים לקזז בין יעד מניפולציות על צג הזרוע המבצעת. נשאלת השאלה, כיצד מדידה זו ניתן ליישם באופן מהימן וביעילות.

כדי לענות על שאלה זו, אנו מציגים שיטה חדשה להעריך להיסחף הפרופריוספטיבי אשר תואם את המשמרת מהעמדה של היד האמיתית הסמויה של המשתתף לזה של o יד דמוית גלויהbject, על מטוס 2D באמצעות האשליה במראה ידי שילוב הליך psychophysical וניתוח באמצעות למידת מכונה. בהשוואת יד גומי, תמונת היד במראה מאוד לוכדת את המיקום הנתפס של המשתתף של היד האמיתית הסמויה. יתר על כן, תמונת שיקוף מיד משקף תנועות ידיים מרצון עבור מיקום היד. לפיכך, תמונת ראי נבחרה המשוב החזותי של היד של המשתתף. בנוסף, למדוד הפרופריוצפטיבית להיסחף דומה למצבים בחיי היומיום, המשתתפים ממוצבת ניסוי על ידי בדיקה היד הנעלמה שלהם כרצונו שלהם, ומספר ניסויים הוגדל. למרות כל שילוב של הוראות אלה עלולים שמש, השילוב של גובה ועומק נבחר בשל ההקלות של צבת המראה אנכית. כדי לבדוק התאמה בין השיטה שלנו המחקרים קודמים ^13, שני תנאים ויזואלי יושמו: עם ובלי משוב חזותי. במצב עם משוב חזותי, במראה wכמו מיקומו במישור midsagittal ליצור בבואה של יד שמאל, כאילו נראו כמו יד ימין. במצב ללא משוב חזותי, לוח מט שמש כדי להסתיר את יד ימין האמיתית של המשתתף. החוקרים העריכו את האפקטיביות של שיטה חדשה זו על ידי השוואת התוצאות המושגות בעזרת שאלון על תחושת הבעלות וסוכנות.

Protocol

כל ההיבטים של הניסוי אושרו על ידי ועדת האתיקה של המכון הטכנולוגי של טוקיו. 1. התקנה ניסיונית חומר והגדרה עבור מדידת דריפט פרופריוצפטיבי. השג ע?…

Representative Results

נציג תוצאות ממחקר קודם מוצגות כדי להמחיש את השיטה 16. איור 3A מראה כי צורות השטח שבו משתתף לא הצליח לפענח את מרחבית לקזז בין העמדת יד שמאל וימין שונה בין התנאים עם (מראה) ובלי (לוח) חזותי . משוב איור 3 ב מציג שמידות באזור במצבו עם מ?…

Discussion

אנו להדגים שיטה להעריך להיסחף הפרופריוצפטיבית במטוס 2D במהלך האשליה במראה באמצעות SVM וכדי להשוות את התוצאה עם תגובות שאלון תחושת הבעלות וסוכנות. שיטה חדשה זו עולה כי נדרש לקזז בין משוב חזותי הפרופריוצפטיבית לשמור להיסחף הפרופריוצפטיבית הוא כ -10 ס"מ ושזה לקזז חופף ה…

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.