Karakteristikk av følelsen av byrået over handlingene til Neural-maskin-grensesnitt-opererte proteser

Summary

Her presenterer vi en protokoll som preger følelsen av byrået utviklet over kontrollen av sensate virtuelle eller robotic protese hender. Psykofysiske spørreskjemaer er ansatt å fange eksplisitt opplevelsen av byrået, og intervallet estimater (tilsiktet bindende) er ansatt implisitt måle følelse av byrået.

Abstract

Dette verket beskriver en metodiske rammeverk som kan brukes til å eksplisitt og implisitt karakterisere følelsen av byrået utviklet over neural-maskin-grensesnitt (NMI) kontrollen sensate virtuelle eller robotic protese hender. Dannelsen av byrået er grunnleggende i atskillende handlingene som vi utfører med våre lemmer som våre egne. Ved å innlemme avanserte øvre lem proteser i disse samme perseptuell mekanismer, kan vi begynne å integrere en kunstig lem nærmere i brukerens eksisterende kognitive rammeverk for lem kontroll. Dette har viktige implikasjoner fremme brukeraksept, bruk og effektiv kontroll over avanserte øvre lem proteser. Denne protokollen, deltakerne kontrollere en virtuell kunstig hånd og motta kinestetiske sensorisk feedback gjennom sine eksisterende NMIs. En rekke virtuelle fatte oppgaver utføres og forstyrrelser introdusert systematisk til kinestetiske tilbakemeldinger og virtuelle håndbevegelser. To separate mål av byrået er ansatt: etablert psykofysiske spørreskjemaer (å fange eksplisitt opplevelsen av byrået) og et tidsintervall anslå oppgave å fange implisitt følelsen av byrået (tilsiktet bindende). Resultatene av denne protokollen (spørreskjema score og tidsintervallet anslår) kan analyseres for å kvantifisere omfanget av byrået formasjon.

Introduction

Så robotic proteser blitt stadig mer avansert, vil viktigheten av relevante sensorisk feedback fortsette å vokse. Sensorisk feedback påvirker hvordan mennesker oppfatter, samhandle med og selv integrere maskiner i kroppen skjema. Siste NMI teknikker kan gi protese lemmer brukerne intuitiv kontroll og oppnå opplevelser knyttet trykk^1,,^2,,^3,,^4,,^5,,^{6 , 7} og kinesthesia (bevegelse forstand)^8,9 i manglende lemmer. Når denne sensoriske informasjonen er sammenkoblet med visuelle informasjonen ved å se kunstig lem under drift, har vi tilgang til viktige elementer som informerer æren av selv –versus-andre. Å utnytte denne tilgangen kan bidra til å bringe protese lemmer brukere et skritt nærmere å opererer en kunstig lem som en del av kroppen, i stedet for bare et verktøy.

Kroppsbevissthet og følelse av å være nedfelt oppstår fra etableringen av byrået (en opplevelse av over en lem handlinger) og eierskap (følelsen av at en lem er en del av kroppen)^10,11. Eierskap er hovedsakelig mediert gjennom integrering av touch og visuell informasjon¹². Byrået framgår av integrering av hensikt, bevegelse sensasjon (kinesthesia), visuell informasjon og prediktiv kognitive modeller¹¹. Under utførelsen av en frivillig handling, blir byrå dannet når sensoriske konsekvensene av handlingen justere med utøveren hensikt og spådommer fra utøveren interne modeller¹³. Agency er separat og distinkt fra eierskap. Begrepet lem eierskap har vært studert ofte i protese litteratur¹⁴. En følelse av lem eierskap skjemaer i NMI deltakere når touch tilbakemelding passer romlig og timelig, som målte eksplisitt gjennom spørreskjemaer eller implisitt gjennom endringer i gjenværende lemmet temperatur eller temporal dommer¹⁵. Imidlertid eksistert færre muligheter for å utforske byrå i sammenheng med NMI¹⁶. Nylige arbeider med NMI deltakere har vist at etaten kan fremmes målbevisst og er atskilt fra opplevelsen av eierskap⁸.

Byrået er spesielt viktig i driften av robot proteser som det er en kognitiv link til kontroll av kunstig lems fysiske handlinger gjennom erfaringer kausalitet, følelsen av kontrollere kunstig lem eller forårsaker noe skje¹⁷. Robotic protesene er avanserte datastyrt maskiner som brukeren må samarbeide med å effektivt fullføre oppgaver. Noen protese lemmer har innarbeidet autonome funksjoner, som grep-slip deteksjon og korrigering; men har disse systemene sett begrenset adopsjon som funksjonalitet kjører utenfor brukerens kontroll kan vises like frustrerende hvis ikke riktig implementert^8,18. Dette gir en grunnleggende utfordring som er ekko gjennom programmer av menneskelig samarbeid med autonome maskiner. Det vil si mennesker stole ofte på sine egne handlinger over de som følge av et samarbeid med datamaskiner eller maskiner, og denne klareringen påvirker direkte en operatør er sannsynligheten for å bruke den autonome funksjoner^19,20. Som mennesker stole vi innately på oss selv og våre organer for å utføre handlinger vil vi; Når dette er oppnådd, etablere vi en indre følelse av byrået. Interessant, er dannelsen av byrået påvirket i kooperativ menneske-maskin-handlinger. Under menneske-menneske samarbeidende aktiviteter, kan en felles oppfatning av byrået dannes over bevegelse²¹; Likevel, antyder litteraturen at delte etaten er beheftet under menneske-maskin samarbeid^22,23. Disse utfordringene gjenspeiles i protese øvre lem bruk og avvisning utbredelsen av robotsveising enheter fortsatt høy, med 23% – 39% av brukerne nedlagte deres bruk²⁴. Faktisk foretrekke mange protese brukernes fremdeles kroppen-powered systemer²⁵. Disse systemene fjerne datastyrt maskinen fra kontroll sløyfen og mer par intimt brukerens kroppsbevegelse til protesen bevegelse via wire kabler. Dette ytterligere forsterker betydningen av kognitiv integrering i bruk av avansert protese enheter. Vi foreslår at NMI systemer kan gi en rekke nødvendige sensoriske og motor brikkene til å flytte kunstige lemmer nærmere til å etablere en felles følelse av byrået, og dette vil være medvirkende til å fremme aksept og sann integrering av disse datastyrt maskiner med brukerne.

Byrået kan måles på flere måter. De enkleste tiltakene bruker psykofysiske spørreskjemaer eller skalaer som eksplisitt be deltakerne hvem eller hva de attributtet en hendelse^17,26,27. Dette er avhengig av en persons eksisterende oppfatning av “selvbetjening” ved å kreve deltakerne gjøre inferential dommer for selvstendig henvisning (dvs.å eksplisitt bedømme om “Jeg” eller en annen enhet var ansvarlig for en handling eller hendelse). Implisitt tiltak gir innsikt i bakgrunnen kognitive prosesser som oppstår under motor action og sensoriske hendelser. Denne visningen av byrået forsøker å måle som ikke eksplisitt oppfattes av en enkeltperson. Vanligvis gjøres dette ved at deltakerne karakterisere en oppfattet forskjell i selv – og eksternt-genererte handlinger, for eksempel at deltakerne rapportere tidsperioden de oppfattet oppstår mellom en selv og eksternt-genererte hendelsen ^{17 , 28}. under utførelsen av selv-generert handlinger, byrået implisitt manifesterer seg som en perseptuell komprimering mellom handlinger og deres sensoriske konsekvenser, kjent som forsettlig bindende²⁸. Når enkeltpersoner rapporterer tid de oppfattet oppstår mellom en handling og resultatet, tilsvarer kortere oppfattet tidsvarighet en sterkere dannet følelse av byrået^29,30. Interessant, har det vært vist at eksplisitte og implisitte tiltak ikke kan direkte samsvarer som de er sannsynlig karakterisere ulike perseptuell mekanismer¹⁷ som sammen informere betydningen av byrået. Som sådan, vil å etablere en mer omfattende forståelse av byrået formasjon under protese bruk trolig kreve eksperimentelle protokoller ansette tydelig og umerkbar tiltak.

Dette verket beskriver en metodiske rammeverk som kan brukes til å eksplisitt og implisitt karakterisere følelsen av byrået utviklet over NMI kontrollen sensate virtuelle eller robotic protese hender. To teknikker å måle byrået under utførelsen av et sensorimotor objekt-fatte aktiviteten er uthevet. Etablerte psykofysiske spørreskjemaer er ansatt å fange eksplisitt opplevelsen av byrået, mens intervall estimater (tilsiktet bindende) er ansatt implisitt måle følelse av byrået.

Omfanget av denne protokollen er å evaluere følelsen av byrået i sammenheng med en NMI fysiologisk aktuelle aktiv motorstyring og kinestetisk tilbakemelding. Disse teknikkene er generalizable virtuelle eller fysiske protese NMI-systemer. Det er minimale begrensninger på bestander som kan bli rekruttert til å utføre denne protokollen. For eksempel mobilitet i deltakerens øvre lemmer bilateralt påvirkes ikke (de må ha en lyd lem), og de må ha kognitive muligheten til å gjøre tidsbaserte dommer og artikulere erfarne opplevelser.

Protocol

Denne protokollen er godkjent tidligere, og følger retningslinjene i Cleveland Clinics menneskelige forskning etikk. 1. maskinvare og programvare på NMI Opprette hver enkelt deltaker NMI kontroll og tilbakemelding slik at når de prøver å utføre en bevegelse, de ser og føler en virtuell protese fullføre denne bevegelsen. Generere en hånd kinestetiske percept gjennom deltakerens NMI og fange kinematikken av oppfattet bevegelsen ved å ha deltakeren viser hva de føler …

Representative Results

Eksperimentell protokollen ble utført med tre amputert deltakere opererer en sensate virtuelle protese via deres NMI8 (figur 1). Oppsettet brukes en deltaker kontrollerbare virtuelle hånden beveger seg gjennom forhåndsprogrammerte Kinematisk profiler som bruker MuJoCo HAPTIX fysikk motor31. Den virtuelle hånden ble vist på en horisontal skjerm foran deltakerne et sted romlig sammenfallende med dere…

Discussion

Her vises en metodiske rammeverk betegner opplevelsen av byrået dannet under drift sensate proteser via NMIs. I denne sammenheng er byrået særlig relevant som den bygger fysisk handling i bakgrunnen kognitive prosesser som forme oppfatning. Gjennom en deltakers protesen og NMI, vi har direkte tilgang til en rekke viktige elementer som etablerer følelsen av Byrået: hensikt og motoren bevegelse sensasjon. Viktig for avansert protese lemmer kontroll, verktøyene i dette arbeidet utnytte denne direkte tilgang f…

Materials

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.