振動触覚フィードバックを用いた物体移動時の不適合視覚触覚刺激の適用
2019年5月23日
我々は、オブジェクト転送タスク中に不適合の視覚触覚刺激を適用するためのプロトコルを提示する。具体的には、ブロック転送中に、ハンドが非表示の間に実行され、ブロックの仮想プレゼンテーションは、偽ブロックドロップのランダムなオカレンスを示す。このプロトコルは、モータタスクの実行中に振動フィードバックを追加する方法についても説明します。
このプロトコルは、不一致の視覚触覚刺激に対する応答に対するバイブロ触覚フィードバックの効果をテストする。モーション キャプチャ システムは、パーティションを越えて転送されたブロックの 3D 座標を計算します。したがって、各繰り返しにおけるブロックの移動時間と経路の分析は、試験の終了時に効率的かつ正確に行うことができる。
バイブロ触覚フィードバックの存在下での不一致の視覚触覚刺激に対する被検者の反応は容易に定量することができる。不一致の視覚触覚刺激を伴う運動機能中のvibro-tactileフィードバックの正または負の寄与の定量化は、手術用プロテス、触覚、および外科用具、スマートスポーツウェア、またはビブロ触覚フィードバックを組み込んだ他の衣服の将来の設計に役立つ。モーションキャプチャシステムとバイブロ触覚フィードバックシステムは、プロトコルを複製するために使用できます。
中央に高さ15.2センチメートルの木箱を取得することから始めます。パーティションの両側に柔らかいスポンジ層を配置します。次に、6 つのパッシブ反射マーカーを、4 つのコーナーの画面と反対側の側面と、パーティションの両端に配置します。
3Dプリンタを使用して、4.5センチメートル×4.5センチメートル×1センチメートルの寸法でベースに取り付けられた2.5センチメートル×2.5センチメートルの2.5センチメートルの寸法を持つ立方体を製造します。次に、テーブルの前に約1.5メートルの大きな画面を配置し、テーブルの上にボックスを配置します, 画面と反対側の端から10センチメートル.最後に、100ヘルツで作動させた6カメラモーションキャプチャシステムを使用して、パーティションとブロックの動きをリアルタイムで視覚化します。
モーション キャプチャ システムを、ボックスのブロックとパーティションがリジッド ボディとして認識されるように、計測された杖で調整します。次に、画面の反対側の端から10センチメートルのテーブルの上にボックスを置きます。まず、時計、ブレスレット、リングを取り外します。
VTF システム コントローラを前腕に接続します。次に、薄くてスポンジ状の層の上に親指と人差し指の手のひら面に2つの薄くて柔軟な力センサーを取り付けます。被写体の上腕の皮膚に袖口を置き、快適に座っていることを確認します。
ボタンを押して、コントローラーに接続されているバッテリーをアクティブにします。そして、被験者に親指と人差し指を軽く押してもらいます。2本の計り知れた指だけを使って、できるだけ軽くブロックをつかむのに10分間訓練するように被験者に指示する。
ブロックを持ち上げて移動させ、テーブルに何度か戻して、ブロックに最小限の力を加えよう。次に、ボックスとパーティションが配置されているテーブルの近くに立つようにサブジェクトに指示します。テーブルの端に仕切りを置き、ボックスの上に置くと、被写体は箱が見えなくなりますが、目の前の画面を簡単に見ることができます。
次に、ブロックをボックスの右側の区画の中央に置き、その手をその部分に導きます。モーションキャプチャシステムのカメラを制御するソフトウェアを起動します。ビジュアルフィードバックソフトウェアのコントロールパネルで、VTF を使用/使用しないかを選択し、対象のコードを入力し、[実行]、[接続]、[開く]、[開始] をクリックします。
画面上の仮想ブロックの動きを見ながら、力センサを手で16回転送するように被験者に指示する。各転送の後、パーティションを越えて開始位置にブロックを戻します。件名が 16 回の繰り返しをすべて完了したら、ソフトウェアの [停止] をクリックします。
最後に、以下の尺度に従って、ブロックを16回、VTFの有無にかかわらず、2回転送するタスクを実行する難易度を評価するよう被験者に依頼する。ゼロは全く難しくなく、1つは少し難しく、2つは適度に難しく、3つは非常に困難であり、4つは非常に困難である。結果は、VTFでタスクを実行する0から4までの知覚難易度が、VTFを有するブロックの正規化されたパス長と有意に相関していることを示した。
不一致の視覚触覚信号の存在下での正規化された経路の長さは、VTFを使用する際にタスクをより困難と認識した被験者にとってより長かった。さらに、VTFを使用する場合、タスクをより困難と認識した被験者にとって、正規化されたパスの長さは有意に長かった。裁判中に誤解を招くフィードバックの可能性を被験者が認識しないことが重要です。
これを確実にするために、ボックスの底部には柔らかいスポンジ層が並んでおり、被験者は外耳イヤホンを着用して、ブロックが落下して木箱に当たる聴覚フィードバックを排除します。また、不一致のフィードバックを伴う2つの転送は、実行された16の転送のうちランダムに選択されるべきです。
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概要
本プロトコルでは、物体の移動タスクにおいて、不一致な視覚・触覚刺激に対する反応に振動触覚フィードバックが及ぼす影響を調査します。この手法では、手の見えない状態での移動と、ドロップ（落下）の偽の発生を伴う仮想ブロックの提示を用いています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- 運動制御
- 触覚フィードバック
背景
- 視覚刺激と触覚刺激の相互作用を理解することは、運動機能にとって極めて重要です。
- 振動触覚フィードバックにより、物体操作の知覚を高めることができます。
- 不整合な刺激は、運動反応やタスクのパフォーマンスに影響を及ぼす可能性があります。
- モーションキャプチャ技術を用いることで、運動ダイナミクスの精密な分析が可能になります。
研究目的
- 振動触覚フィードバックが視覚・触覚の不一致に対する反応にどのような影響を与えるかを評価すること。
- フィードバックが運動タスクのパフォーマンスに及ぼす影響を定量化すること。
- 義肢およびハプティックデバイスの設計に役立てること。
使用した手法
- ブロック移動中の不一致な視覚・触覚刺激の提示。
- モーションキャプチャシステムを用いたブロックの3次元座標の追跡。
- 各試行における移動時間と経路の分析。
- 振動触覚フィードバックを用いた刺激に対する被験者の反応の定量化。
主な結果
- 本プロトコルにより、運動反応の効率的かつ精密な解析が可能になります。
- 不一致なシナリオにおいて、振動触覚フィードバックはパフォーマンスに大きな影響を与えます。
- 得られた結果は、支援技術の今後の開発指針となります。
- 互換性のあるモーションキャプチャおよびフィードバックシステムであれば、どのようなシステムでも本プロトコルを再現可能です。
結論
- 不一致な刺激を伴う運動機能において、振動触覚フィードバックは重要な役割を果たします。
- これらの知見は、高度な義肢およびハプティックデバイスの設計に寄与します。
- さらなる研究により、さまざまな分野におけるこのフィードバックの応用範囲を拡大することができます。
よくある質問
産業上の重要性
本プロトコルでは、振動触覚フィードバックが不一致な視覚・触覚刺激に対する運動反応をどのように変調させるかを定量化し、物体操作における感覚統合を評価するための制御された手法を提供します。このアプローチは、相反する感覚条件下でのタスクパフォーマンスに対するフィードバック様式の寄与を分離することで、ハプティックインターフェース設計におけるターゲット検証を支援します。得られた知見は、主観的な困難さと客観的な運動指標を関連付けることで、義肢やウェアラブル技術開発における予測信頼性に寄与します。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値：感覚的葛藤を伴う運動タスク中の多感覚統合メカニズムの解析を可能にする。
- 運用上の価値：知覚運動反応を変化させる際の振動触覚フィードバックの有効性を評価するための標準化されたパラダイムを提供する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 科学的価値： フィードバック効果を評価するための定量的従属変数（正規化経路長、移動時間）を算出します。
- 運用的価値： 再現性のあるモーションキャプチャベースの運動学的解析により、アッセイの準備状態をサポートします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- 科学的価値： 神経リハビリテーションおよび補助装置の検証に適用可能な、疾患に関連した感覚運動フィードバックループを確立する。
- 運用的価値： ユーザーが報告した困難さと客観的な運動出力を相関させることで、トランスレーショナルな連続性を促進する。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、触覚デバイスや神経義肢の開発において、リード化合物の同定前に感覚フィードバックメカニズムのリスクを軽減させる、初期探索ワークフローに適しています。
- ディスカバリーバイオロジー：不一致な視覚・触覚条件下における感覚再重み付けに関する仮説を検証します。
- スクリーニング：フィードバック条件の比較に適した、アッセイ可能な定量的運動指標を提供します。
- アナリティクス：知覚評価とキネマティクス出力の相関分析を可能にし、決定閾値の策定を導きます。
- トランスレーショナルリサーチ：フィードバックを測定可能な運動適応に結びつけることで、振動触覚システムの preclinical validation（前臨床検証）を支援します。
- エンタープライズ再利用：複数のデバイスプロトタイプにわたって触覚フィードバックを評価するための、再利用可能なプラットフォームを確立します。
運用および企業への影響
- 科学的価値：運動制御に対する感覚フィードバックの寄与におけるメカニズム的な曖昧さを軽減する。
- 運用上の価値：モーションキャプチャおよび制御された不一致刺激タイミングにより、標準化と再現性を確保する。
- 戦略的価値：感覚競合下でのフィードバック価値を定量化することで、ハプティック設計におけるgo/no-go判断を改善する。
- ポートフォリオへの影響：経験的な運動パフォーマンスデータに基づき、振動触覚技術のリスク調整済み優先順位付けを可能にする。
実施上の検討事項
- 運動制御評価およびモーションキャプチャシステムの操作に関する専門知識が必要です。
- 同期させた振動触覚フィードバックの提示および視覚刺激提示インフラストラクチャに依存します。
- 不一致試行のランダム化および被験者の盲検化手順について、チーム間での標準化が必要です。
- 多様なユーザー集団における異なる四肢の形状や感覚閾値への適応を考慮する必要があります。
- 視覚・触覚の不一致性の整合性を維持するため、実際の手の動きを隠す必要がある点に制限があります。
