方法文章

神经机台面假体作用的代理感特征

DOI：

10.3791/58702

⸱

2019年1月7日

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1Laboratory for Bionic Integration, Department of Biomedical Engineering, Lerner Research Institute, Cleveland Clinic, 2Research Service, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center, 3Department of Biomedical Engineering, Stevens Institute of Technology, 4Advanced Platform Technology Center, Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

在这里, 我们提出了一个协议, 其特点是在控制感觉虚拟或机器人假肢手的代理的感觉。利用心理物理问卷来捕捉代理的显性经验, 并使用时间间隔估计 (有意绑定) 来含蓄地衡量代理意识。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

这项工作描述了一个方法框架, 可以用来明确和含蓄地描述的代理意识开发的神经机接口 (nmi) 控制的感觉虚拟或机器人假肢手。代理的形成是区分我们用四肢所做的行为是我们自己的行为的根本。通过努力将先进的上肢假体纳入这些相同的感知机制, 我们可以开始将假肢更紧密地集成到用户现有的肢体控制认知框架中。这对于促进用户接受、使用和有效控制高级上肢假体具有重要意义。在这个协议中, 参与者控制一个虚拟的假手, 并通过他们先前存在的 nmi 接受运动感觉反馈。对动觉反馈和虚拟手部运动进行了一系列虚拟抓取任务, 并系统地引入了扰动。采用了两种单独的代理度量标准: 建立的心理物理调查表 (以反映代理的显性经验) 和时间间隔估计任务, 以捕获机构的隐含意义 (有意约束)。该协议的结果 (问卷评分和时间间隔估计) 可以进行分析, 以量化代理形成的程度。

引言

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随着机器人假体的日益先进, 相关感官反馈的重要性将继续增长。感官反馈会影响人类感知、与之互动, 甚至将机器整合到他们的身体图式中的方式。最近的 nmi 技术现在可以为假肢使用者提供直观的控制, 并实现与触摸1,2,3,4,5 ,6相关的感觉,7和运动异常 (运动感)8,9在缺失的四肢。当这些感官信息与在手术中观察假肢所提供的视觉信息配对时, 我们可以接触到指导自我与他人区别的关键要素。利用这种访问可能有助于使假肢使用者更接近于将假肢作为身体的一部分来操作, 而不仅仅是一种工具。

身体意识和体现感产生于机构的建立 (对肢体行为的作者身份的体验) 和所有权 (肢体是身体的一部分的感觉) 10、

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方案

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该议定书先前已获得批准, 并遵循克利夫兰诊所人类研究伦理委员会的指导方针。

1. nmi 的硬件和软件

  1. 建立每个参与者的 nmi 控制和反馈, 以便当他们尝试执行一个运动时, 他们看到并感觉到一个虚拟的假体完成了该运动。
    1. 通过参与者的 nmi 生成手的运动感感知, 并通过让参与者用他们完整的手展示他们的感受来捕捉感知运动的运动学。
      注: 其他作品8已经说明了描述运动感知运动学的技术, 可以使用数据手套或光学运动捕捉系统来实现。
    2. 使用虚拟的手工/假体模拟来再现运动感知的运动学。
    3. 设置硬件以捕获参与者 nmi 中的有意手部移动控制信号。
    4. 将此控制信号映射到虚拟假体的活动。
    5. 创建一个主控制程序, 协调 nmi 控制信号的采集、虚拟假体的运动以及实时生成运动性 nmi 反馈。

2. 实验设置

  1. 将参与者放置在前面的桌子上, 并将显示器水平放置 (即在其背面, 朝上)。
  2. 在显示器上显示虚拟假体, 并调整其大小和位置, 使其定位与缺失肢体的位置一致。
  3. 渲染虚拟环境中的对象 (例如浮动球), 作为手的关闭和打开位置 (移动端点) ....

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结果

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实验协议是由三名截肢者通过他们的 nmi 8 操作一个感觉虚拟假体进行的 ( 图 1)。该设置使用了一个参与式可控的虚拟手移动通过预编程的运动学配置文件使用 mujoco haaptix 物理引擎31。虚拟的手被显示在一个水平的显示器在前面的参与者在空间上与他们丢失的肢体一致。nmi 参与者以前曾接受过手术神经重新布线程序 (有针对性的再神经), 再配以标准的假肢肌电 (emg) 控制策略, 以提供对虚拟手32的直观控制;因此, 参与者可以通过 "思考" 打开和关闭他们丢失的手来驱动虚拟的手。参与者手术重组肌肉的战略振动导致手部运动的虚幻感知, 为动觉感官反馈提供了一个平台8。通过定制软件, 将 emg 手控信号和虚拟假体渲染与振动反馈装置的输出集成在一起。当参与者开始显示的虚拟手的运动时, 振动会在丢失的.......

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讨论

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这里提出了一个方法框架, 以描述机构形成的经验,而通过nmi 操作的感觉假体。在这种背景下, 机构尤其重要, 因为它将身体动作与塑造感知的背景认知过程联系起来。通过参与者的假体和 nmi, 我们可以直接获得一些建立代理感的关键要素: 意图、运动输出和运动感觉。对于先进的假肢控制非常重要的是, 本工作中提供的工具利用这种直接访问来帮助了解这些元素如何促进用户对其行为的控制感和认知整合。修复。

所强调的技术是灵活的, 因为它们可以用于任何 nmi 研究和临床假肢系统, 只要它们符合实时感知相关的控制和运动学反馈的标准。许多 nmi 固有的优势是通过利用仍然存在截肢的神经通路来实现直观控制的潜力。这样就可以测量曾经伴随着完整肢体运动的残余生理活动, 而这些活动又可以解码并映射到适当的虚拟或假肢运动中。因此, 大多数 nmi 技术都应满足感知相关控制的要求, 前提是记录的神经活动和附带的数字接口能够产生可靠的输出信号, 这些信号可以适当地映射到虚拟的手。实验设置还需要一个系统, 为调查人员提供使用显示的虚拟手运动学实时主动启动动觉感觉的能力。这是一个关键的要求, 因为当我.......

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披露

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作者没有什么可透露的。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者要感谢玛德琳·纽科姆对人物一代的贡献。这项工作由美国纳税人通过国家卫生研究院、共同基金主任办公室、转型 r01 研究奖 (赠款 #1R01NS081710-01) 和国防高级研究计划局 (合同号 n660001-15--4015) 资助。生物技术办公室项目经理 d. weber)。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
LabVIEW 2015，Service Pack 1，版本 15.0.1f2 64 位National Instruments，美国德克萨斯州奥斯汀完整版或专业版我们在 LabVIEW 中编写了自定义软件，以协调虚拟假肢控制与动觉反馈，以及呈现实验条件和记录数据。
8 插槽，USB CompactDAQ 机箱National Instruments，美国德克萨斯州奥斯汀cDAQ-9178
±60 V、800 kS/s、12 位、8 通道 C 系列电压输入模块National Instruments， Austin， TX， USANI-9221
100 kS/s/ch 同步、plusmn;10 V，4通道C系列电压输出模块National Instruments，美国德克萨斯州奥斯汀NI-9263
定制可穿戴动觉调节器HDT Global，Solon，OH，USAN/A此物品是定制的。其他提供动觉反馈的方法是可以接受的，只要参与者能感觉到手随着虚拟手的动作实时移动的感觉。
MuJoCo 物理引擎，HAPTIX 版本Roboti LLC，美国华盛顿州雷德蒙德mjhaptix150较新版本的 MuJoCo 也应该是可以接受的。我们使用了 MPL Gripper 模型。
Myobock 电极，由 MyoBoy 电池插座中的 Otto Bock EnergyPack 供电Ottobock， Duderstadt， Germany电极：13E200=60
电池：757B21
电池插座：757Z191=2		可以使用任何提供放大、过滤和整流 EMG 或神经控制信号的设置。

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kuiken, T. A., Marasco, P. D., Lock, B. A., Harden, R. N., Dewald, J. P. A. Redirection of cutaneous sensation from the hand to the chest skin of human amputees with targeted reinnervation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (50), 20061-20066 (2007).
  2. Hebert, J. S., et al.

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