Metodo di visualizzazione per Drift propriocettiva su un piano 2D Utilizzando Support Vector Machine

Summary

Questo articolo descrive un nuovo metodo per stimare drift propriocettiva su un piano 2D utilizzando l'illusione specchio e combinando una procedura psicofisico con analisi utilizzando apprendimento automatico.

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

Negli ultimi anni la ricerca sul senso o esperienza del sé corporeo, che è, il proprio corpo, è aumentata nel contesto di realizzazione. Incarnazione si riferisce alla idea o il concetto di avere un corpo fisico o virtuale che può interagire con l'ambiente, come ad esempio raggiungere, afferrare, e toccante. Per esempio, gli esseri umani possono toccare un oggetto o un altro essere umano posizionato nell'ambiente spostando il proprio corpo, in questo caso il loro braccio e la mano. Al giorno d'oggi, questa interazione o comunicazione non si limita ad usare il proprio corpo naturale. A causa di invenzioni e sviluppo di robot antropomorfi o avatar nel mondo virtuale, il corpo umano naturale può essere sostituito da un corpo artificiale, ad esempio un umanoide robot telecomando, protesi elettrico, o computer-grafica avatar in realtà virtuale. Per esempio, i ricercatori hanno sviluppato un robot il cui operatore può "afferrare" un oggetto posto davanti al robot tramite il suo corpo meccanico, anche se il robot è posizionato lontano dalla posizione del corpo ^1,2 dell'operatore. Simile a questo esempio, se un essere umano può eseguire un'azione tramite un corpo artificiale, quale corpo terrebbe l'attribuzione di auto-corpo dell'operatore?

Possiamo facilmente trovare argomenti correlati a questa discussione sull'attribuzione o la proiezione di "sé" dal nostro corpo naturale di un corpo artificiale, non in carne e ossa. Un esempio può essere trovato in campo medico; per esempio, nel campo della riabilitazione medica, trattamenti che "trucco" sensazione auto-corpo del paziente utilizzando specchi sono allo studio per ridurre il dolore e migliorare la funzione del motore di un arto mancante o paralizzati, chiamata terapia specchio ^3-6. In questa terapia, l'immagine speculare della parte del corpo inalterato o degli arti può ingannare il cervello del paziente a credere che l'arto mancante o paralizzato corrisponde a quello visualizzato nello specchio e condurre alla sensazione che è ancora in essas prima condizione (cioè, prima dell'incidente). E 'ancora in discussione come questa illusione influenza la resistenza del cervello legate alla rappresentazione del corpo. Oltre a questo tipo di discussione sul nostro corpo naturale, possiamo trovare discussioni simili in forma di realizzazione, in particolare di problemi di progettazione di interazione uomo-sistema nel campo dell'ingegneria. Il senso di sé per un corpo artificiale o virtuale è stata ben studiata nel contesto di telepresenza, interfaccia cervello-macchina, e l'interfaccia cervello-computer di ^1,2,7-9. Alcuni ricercatori hanno riferito che un robot humanlike, che può trasferire la sensazione tattile dalla mano di robot alla mano dell'operatore, può catturare senso dell'operatore di auto-corpo per il robot e la sensazione di essere in un posto in cui il robot è posizionato piuttosto che dove l'operatore esiste realmente, chiamato tele-esistenza ^1. Altri ricercatori hanno riferito che un avatar virtuale che riflette i movimenti del corpo dell'operatore fortely trasferisce senso dell'operatore di auto-corpo dal corpo dell'operatore al corpo virtuale ^9. Questi risultati indicano come gli utenti possono proiettare il loro senso di auto-corpo in un corpo artificiale, ad esempio un umanoide robot telecomando, protesi elettrico, o computer-grafica avatar in realtà virtuale, anche se il corpo artificiale non è direttamente collegato alla loro cervello e il corpo.

La ricerca scientifica di base su questo tipo di sensazione di auto-corpo per la non-carne e il sangue, gli oggetti corporei come artificiali esaminato i meccanismi cerebrali sottostanti per l'esperienza di auto-corpo con l'illusione della mano di gomma (RHI) ^10-13 e specchio illusione (MI) ^14-16 in campo medico e ingegneria così come in psicofisica e neuropsicologia. Il RHI è la sensazione che una mano di gomma appartiene al proprio corpo ed è evocata da accarezzare simultaneamente una mano di gomma visibile e la mano oscurata del partecipante. Nel MI, una mano image in uno specchio posizionato lungo l'asse mediosagittale cattura visivamente la posizione percepita del partecipante della mano opposta invisibile. Inoltre, i movimenti sincroni della mano riflessa e invisibili evocano la sensazione forte come se l'immagine riflessa mano fosse la mano opposta invisibile. Secondo la ricerca su queste illusioni, la coerenza tra le informazioni multimodale e la previsione e il feedback sensoriale sui movimenti del corpo sembra giocare un ruolo importante per il giudizio di attribuzione auto-corpo. Così, questi due illusioni possono essere elementi di prova e strumenti di semplice ma potente per gli scienziati per studiare i meccanismi cerebrali alla base la nostra sensazione di essere ingannato o credere che un oggetto o un'immagine artificiale può essere soggettivamente la nostra parte del corpo, e che la nostra sensazione di auto-corpo fa non devono essere legati al nostro corpo fisico naturale.

In tutti questi studi sopra elencati, la discussione si basa sul concetto di consisti "self"ng di due tipi di sensazioni proposti dal filosofo Gallagher ^17: il senso di appartenenza e il senso di agenzia. Il senso di appartenenza si riferisce alla sensazione che una parte corpo osservato è la propria. Il senso di agenzia corrisponde alla sensazione che il movimento del corpo è auto-causato. Queste due sensazioni sono definiti come il sé minimo, cioè un immediato senso di sé ^16. Secondo questo concetto, l'attribuzione del "sé" per i corpi naturali, danneggiato, virtuali e meccaniche può essere valutato con gli stessi indici: il senso di appartenenza e di agenzia. Per poter utilizzare questa sensazione per la valutazione scientifica, si pone il problema di come misurare il senso di appartenenza e agenzia robusta. Attualmente, la stima del senso di appartenenza e l'agenzia si basa principalmente su questionari, originariamente proposti da Botvinick ^9. Oltre ai questionari, possiamo tentare di misurare in modi quantitativi. Per esempio, la pelle conrisposta conduttanza (SCR) è stato usato come indice fisiologico di proprietà nei casi in cui la mano di gomma viene improvvisamente tagliato da un coltello ^18. Il SCR viene calcolata misurando le caratteristiche elettriche della pelle ed è un indicatore sensibile e valida per eccitazione ^19. Poiché questo metodo è generalmente applicato per le prove singole per partecipante, che misura SCR non è adatto come un indice fisico durante gli esperimenti psicofisici che richiedono misurazioni ripetitive all'interno di partecipanti. Uno degli indici comportamentali di maggior successo per il senso di proprietà è drift propriocettiva. Drift propriocettiva è il cambiamento nella posizione percepita della mano vera invisibile verso la posizione di un oggetto che sembra una mano, come la protesi in gomma misura o computer grafica ^10-13. Poiché questo cambiamento può essere stimato ripetutamente e robusto misurando la distanza tra la vera mano invisibile e l'immagine visiva della mano, propriocettiva drift isa opportuno indice fisico per misure psicofisiche. Tuttavia, questo uso deve essere valutata con attenzione, perché recenti discussioni si sono chiesti se la deriva propriocettivi può sempre essere usato come un indice comportamentale di proprietà ^12.

Tipicamente, la deriva propriocettiva è misurato in una sola delle tre direzioni, come l'altezza, larghezza o profondità. drift propriocettiva è stato raramente misurato in direzioni multiple a causa della difficoltà di stimare e visualizzare dati multi-dimensionali. Questa limitazione metrologica non è critico per la ricerca di base esplorare i meccanismi che elaborano le informazioni multisensoriale, perché le condizioni sperimentali possono essere facilmente elaborato e controllato per limitare le dimensioni misurate. Tuttavia, nella vita quotidiana, le nostre mani si muovono liberamente in 3D a seguire le nostre intenzioni. In questa situazione, è difficile e inadeguato per misurare il comportamento di un partecipante con questionari, che ha fortemente il movimento limiti e posizioni delle mani. Così, considerando le potenziali applicazioni per senso di appartenenza e di agenzia in ingegneria e riabilitazione, una misura che include molteplici direzioni e permette il movimento mano libera è necessario per valutare il rapporto spaziale tra feedback visivo e propriocettivo in situazioni di vita quotidiana. Se tale misura fosse possibile, la distanza misurata tra le mani reali e osservati potrebbe essere utilizzato come linea guida per il senso di auto-corpo. Ciò potrebbe non solo diventare un indicatore per il progresso della riabilitazione, ma anche un criterio per l'offset tra l'obiettivo manipolato nel display e la mano di funzionamento spaziale. La domanda rimane di come questa misurazione può essere implementato in modo affidabile ed efficiente.

Per rispondere a questa domanda, si introduce un nuovo metodo per stimare la deriva propriocettiva, che corrisponde al passaggio dalla posizione della mano invisibile reale del partecipante a quella di un visibile o mano-likebject, su un piano 2D utilizzando l'illusione specchio combinando una procedura psicofisico e un'analisi utilizzando apprendimento automatico. Rispetto ad una mano di gomma, la mano a uno specchio cattura fortemente la posizione percepita del partecipante della mano vera invisibile. Inoltre, un'immagine a specchio riflette immediatamente i movimenti della mano volontari per il posizionamento mano. Così, una immagine speculare è stato selezionato come feedback visivo della mano del partecipante. In aggiunta, per misurare la deriva propriocettiva simile alle situazioni della vita quotidiana, i partecipanti posizionati loro mano processo-by-trial nascosta la loro volontà, ed è stato aumentato il numero di prove. Anche se avrebbe potuto essere utilizzato qualsiasi combinazione di direzioni, la combinazione di altezza e profondità è stata scelta a causa della facilità di posa specchio verticale. Per verificare la coerenza tra il nostro metodo e la ricerca precedente ^13, sono stati realizzati due condizioni visive: con e senza feedback visivo. Nella condizione con feedback visivo, lo specchio wcome disposto lungo il piano sagittale mediano per creare un'immagine riflessa della mano sinistra, come se fosse visto come la mano destra. Nella condizione senza feedback visivo, una lavagna opaca è stato utilizzato al fine di nascondere vera mano destra del partecipante. Abbiamo valutato l'efficacia di questo nuovo metodo, confrontando i risultati con quelli ottenuti con un questionario sul senso di appartenenza e di agenzia.

Protocol

Tutti gli aspetti di questo esperimento sono stati approvati dal Comitato Etico del Tokyo Institute of Technology. 1. apparato sperimentale Materiale e configurazione per la misurazione Drift propriocettiva. Ottenere un supporto che può contenere una piastra 100 x 100 cm verticalmente (Figura 1). Ottenere una sedia in cui il partecipante può sedersi comodamente durante l'esperimento. Ottenere uno specchio acrilico 100 x 100 cm e opaco lavagna. <…

Representative Results

I risultati rappresentativi da un precedente studio vengono presentati per illustrare il metodo di 16 anni. La figura 3A mostra che le forme della zona in cui il partecipante non ha potuto rilevare l'offset tra la posizione della mano sinistra e destra spaziale differivano tra le condizioni con (specchio) e senza (lavagna) visivo . commenti figura 3B mostra che le dimensioni dell'area nella condizione con feedback visivo sono significa…

Discussion

Dimostriamo un metodo per stimare la deriva propriocettiva in un piano 2D durante l'illusione specchio utilizzando SVM e per confrontare il risultato con risposte al questionario per il senso di appartenenza e di agenzia. Questo nuovo metodo ha rivelato che il richiesto scostamento tra il feedback visivo e propriocettivo per mantenere la deriva propriocettiva è di circa 10 cm di lunghezza e che questo offset da vicino si sovrappone con l'offset tenuti a mantenere la sensazione di proprietà e agenzia.

<p cl…

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.