神经机器接口控制假肢动作的自主控制感表征

摘要

本文介绍了一种用于表征对具有感知功能的虚拟或机器人假手控制过程中所产生的代理感的实验方案。通过心理物理学问卷来获取代理感的显性体验，同时采用时间间隔估计（即有意绑定效应）对代理感进行隐性测量。

摘要

本研究描述了一种方法学框架，可用于明确和隐性地表征在感知性虚拟或机器人假手的神经-机器接口（NMI）控制过程中所形成的代理感（sense of agency）。代理感的形成对于区分我们肢体所执行的动作是否属于自身至关重要。通过努力将先进的上肢假肢纳入这些相同的感知机制中，我们可以开始将人工肢体更紧密地整合到用户现有的肢体控制认知框架内。这对于促进用户对假肢的接受度、使用意愿以及有效控制具有重要意义。在本实验方案中，受试者通过既有的神经-机器接口控制虚拟假手，并接收本体感觉反馈。受试者完成一系列虚拟抓握任务，同时系统性地对本体感觉反馈和虚拟手部运动引入扰动。本研究采用两种独立的代理感测量方法：成熟的心理物理学问卷（用于捕捉代理感的显性体验）和时间间隔估计任务（用于捕捉代理感的隐性体验，即“意图绑定”现象）。该方案的结果（问卷评分和时间间隔估计值）可用于量化代理感形成的程度。

引言

随着假肢机器人技术日益先进，相关的感官反馈变得愈发重要。感官反馈影响着人类如何感知、与机器互动，甚至将机器整合到自身的身体图式中。近年来的神经机器接口（NMI）技术现已能够为假肢使用者提供直观的控制能力，并实现与触觉相关的感知体验^{1,2,3,4,5,6,7} 和本体感觉（运动觉）^8,9 在缺失的肢体中。当此类感觉信息与操作过程中观察假肢所提供的视觉信息相结合时，我们便获得了关键要素，这些要素有助于区分自我与非自我与-其他。利用这种接入方式可能有助于让假肢使用者更进一步地将人工肢体作为身体的一部分来操控，而不仅仅将其视为一种工具。

身体感知和具身感源于能动性（对肢体动作的自主控制体验）和归属感（感觉肢体是身体的一部分）的建立^10,....

方案

本方案已获得克利夫兰诊所人类研究伦理委员会的批准，并遵循其指导方针。

1. 神经肌肉接口的硬件与软件

1. 建立每位参与者的神经肌肉接口（NMI）控制与反馈系统，使得当他们尝试执行某一动作时，能够看到并感受到虚拟假肢完成该动作。
   1. 通过参与者的神经肌肉接口（NMI）产生手部本体感觉感知，并让参与者使用其健全的手部模仿其所感知到的运动，从而捕捉感知运动的运动学特征。
      注意：已有研究展示了表征本体感觉感知运动学的技术⁸，可使用数据手套或光学动作捕捉系统实现。
   2. 使用虚拟手部/假肢模拟系统重现该感知运动的运动学特征。
   3. 设置硬件设备，用于采集参与者神经肌肉接口（NMI）发出的意向性手部运动控制信号。
   4. 将该控制信号映射至虚拟假肢的动作中。
   5. 创建一个主控程序，用于实时协调神经肌肉接口（NMI）控制信号的采集、虚拟假肢的运动以及本体感觉神经肌肉接口反馈的生成。

2. 实验设置

1. 让受试者就座，并将显示器水平放置（即，仰面朝上，背部落于他们前方的桌面上。
2. 在显示器上显示虚拟假体，并调整其大小和位置，使其与患者缺失肢体的位置相吻合。

结果

实验方案由三名截肢参与者操作一种具有感知功能的虚拟假肢来实施 通过 其国家计量院⁸ (图1）。该设置使用参与者可控制的虚拟手，通过 MuJoCo HAPTIX 物理引擎沿预编程的运动学曲线运动³¹虚拟手呈现在参与者前方的水平显示器上，位置与其缺失的肢体在空间上一致。NMI 参与者此前接受过手术神经重连程序（靶向再神经化），并结合标准的假肢肌电（EMG）控制策略，以实现对虚拟手的直观控制。³²因此，参与者只需“想象”张开和闭合他们缺失的手，即可驱动虚拟手。通过对参与者经手术重新布线的肌肉施加策略性振动，诱发了手部运动的错觉感知，从而为运动觉感官反馈提供了平台。⁸通过定制软件，将肌电手控信号和虚拟假肢图像与振动反馈装置的输出信号相整合。当受试者启动显示的虚拟手运动时，振动会诱发其缺失的手产生相应且匹配的复杂抓握.......

讨论

本文提出了一种方法学框架，用于表征在操作具感假肢过程中产生的代理体验 通过 NMIs。在此背景下，能动性尤为重要，因为它将物理动作与塑造感知的背景认知过程联系起来。通过参与者使用的假肢和NMI，我们能够直接获取建立能动性感知的多个关键要素：意图、运动输出和运动感觉。对于先进假肢肢体控制而言，本研究提供的工具利用这种直接访问能力，有助于揭示这些要素如何促进用户对假肢动作的控制感及其认知整合。

所强调的技术具有灵活性，只要满足实时感知相关控制和本体感觉反馈的标准，便可与任何神经肌肉接口（NMI）研究或临床假肢系统结合使用。许多神经肌肉接口的固有优势在于，能够利用截肢后仍保留的神经通路实现直观控制。这使得可以测量那些原本伴随完整肢体运动而产生的残余生理活动，并进一步将这些活动解码并映射到相应的虚拟或假肢肢体运动上。因此，只要记录的神经活动及其配套的数字接口能够产生可靠的输出信号，并可适当地映射至虚拟手部动作，大多数神经肌肉接口技术均应满足感知相关控制的要求。实验设置还需要一个系统，使研究人员能够根据所显示的虚拟手部运动学参数，在实时条件下主动诱发本体感觉。这一要求至关重.......

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, Austin, TX, USA	完整版或专业版	我们使用 LabVIEW 编写了自定义软件，用于协调虚拟假肢控制与本体感觉反馈，同时呈现实验条件并记录数据。
8 槽 USB CompactDAQ 机箱	National Instruments, Austin, TX, USA	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, USA	NI-9221
每通道 100 kS/s 同步采样，±10 V，4 通道 C 系列电压输出模块	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9263
定制可穿戴本体感觉刺激器	HDT Global, Solon, OH, USA	N/A	该项目为定制产品。只要受试者能够实时感受到手部运动的本体感觉反馈，其他提供本体感觉反馈的方法也可接受。
MuJoCo 物理引擎，HAPTIX 版本	Roboti LLC, Redmond, WA, USA	mjhaptix150	更新版本的 MuJoCo 也应可接受。我们使用了 MPL 抓握模型。
Myobock 电极，由 Otto Bock EnergyPack 在 MyoBoy 电池插座中供电	Ottobock, Duderstadt, Germany	电极：13E200=60 电池：757B21 电池插座：757Z191=2	任何能够提供放大、滤波和整流的肌电（EMG）或神经控制信号的装置均可使用。