Karakterisering van de betekenis van het Agentschap over de acties van neurale-machine Interface bediende protheses

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol dat de zin van agentschap ontwikkeld over de controle van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen kenmerkt. Psychofysisch vragenlijsten worden gebruikt om vast te leggen van de expliciete ervaring van Agentschap en schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van het Agentschap.

Samenvatting

Dit werk beschrijft een methodologisch kader dat kan worden gebruikt voor expliciet en impliciet karakteriseren het gevoel van agentschap ontwikkeld over de controle van de neurale / machine-interface (NMI) van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen. De vorming van het Agentschap is van fundamenteel belang onderscheid te maken van de acties die we met onze ledematen als onze eigen uitvoeren. Door te streven naar het integreren van geavanceerde Opper-ledemaat prothesen in deze dezelfde perceptuele mechanismen, kunnen we beginnen met het integreren van een kunstmatige ledematen nauwer in van de gebruiker bestaande cognitieve kader voor de controle van de ledematen. Dit heeft belangrijke implicaties biij gebruikersacceptatie, gebruik, en effectieve controle van geavanceerde Opper-ledemaat protheses. In dit protocol, deelnemers bepalen een virtuele nephand en kinesthetische sensorische feedback via hun bestaande NMIs te ontvangen. Een reeks virtuele grijpen taken worden uitgevoerd en verstoringen zijn systematisch ingevoerd om de kinesthetische feedback en virtuele handbewegingen. Twee afzonderlijke maatregelen van agentschap werkzaam zijn: gevestigde psychofysische vragenlijsten voor het vastleggen (de expliciete ervaring van Bureau) en een tijdsinterval schatten taak om vast te leggen van de impliciete betekenis van het Agentschap (opzettelijke bindende). Resultaten van dit protocol (vragenlijst scores en tijdsinterval schat) kan worden geanalyseerd om te kwantificeren van de omvang van de formatie van het Agentschap.

Inleiding

Zoals robotic prothesen steeds meer geavanceerde worden, zal het belang van relevante sensorische feedback blijven groeien. Sensorische feedback is van invloed op hoe mensen waarnemen, interactie met, en zelfs machines te integreren in hun lichaam schema. Recente NMI technieken kunnen nu prothetische ledematen gebruikers te voorzien van intuïtieve bediening en bereiken sensaties gekoppeld touch^{1,2,3,4,5,6 , 7} en kinesthesia (beweging sense)^8,9 in ontbrekende ledematen. Wanneer deze zintuiglijke informatie wordt gekoppeld aan de visuele informatie verstrekt door te kijken naar de kunstmatig ledematen tijdens operatie, hebben we toegang tot de belangrijkste elementen die het onderscheid van zelf -ten opzichte vande hoogte-andere. Hefboomwerking deze toegang kan helpen prothetische ledematen gebruikers een stap dichter te brengen om een kunstmatige ledematen als een deel van hun lichaam, in plaats van slechts een hulpmiddel.

Lichaams-bewustzijn en het gevoel van wordt belichaamd vloeit voort uit de oprichting van het Agentschap (de ervaring van auteurschap over een limb's acties) en eigendom (het gevoel dat een ledemaat een deel van het lichaam is)^10,11. Eigendom is voornamelijk gemedieerd door de integratie van de touch en beeldinformatie¹². Agentschap naar voren komt uit de integratie van intentie, verkeer sensatie (kinesthesia), visuele informatie en voorspellende cognitieve modellen¹¹. Tijdens de uitvoering van een vrijwillige actie, wordt Agentschap gevormd wanneer de sensorische gevolgen van dat optreden met de intentie en de voorspellingen van¹³interne modellen van de vertolker van de vertolker uitlijnen. Agentschap is afzonderlijke en onderscheiden van eigendom. Het concept van ledematen eigendom is vaak bestudeerd in de prothese literatuur¹⁴. Een gevoel van ledematen eigendom formulieren in NMI deelnemers bij aanraking feedback ruimtelijk en stoffelijk voorkomend als gemeten via vragenlijsten expliciet of impliciet residuele ledemaat temperatuurveranderingen, of tijdelijke volgorde arresten^{15 is}. Echter hebben minder mogelijkheden bestaan om te verkennen Agentschap in het kader van NMI¹⁶. Recent werk met NMI deelnemers heeft aangetoond dat Agentschap doelgericht kan worden bevorderd en staat los van de ervaring van eigendom⁸.

Agentschap is bijzonder belangrijk in de werking van robotic prothesen, want het is een cognitieve link naar de controle van de kunstmatige ledematen fysieke acties door ervaringen van causaliteit, het gevoel van controle op de kunstmatig ledematen of iets te veroorzaken ¹⁷gebeuren. Robotic prothesen zijn geautomatiseerde machines die de gebruiker met samenwerken moet geavanceerde aan taken effectief uitvoeren. Sommige prothetische lidmaten hebben opgenomen autonome functies zoals grip-slip opsporing en correctie; Toch hebben deze systemen beperkte goedkeuring gezien als functionaliteit uitgevoerd buiten de controle van de gebruiker zo frustrerend kan worden bekeken als die nog niet op de juiste manier geïmplementeerd^8,18. Dit vormt een fundamentele uitdaging die wordt weerspiegeld in de gehele toepassingen van menselijke samenwerking met autonome machines. Dat wil zeggen, mensen vertrouwen vaak hun eigen acties over die welke voortvloeien uit een samenwerking met computers of machines, en dit vertrouwen beïnvloedt direct kans op een operator's gebruik van de autonome functies^19,20. Als mensen vertrouwen we aangeboren onszelf en onze lichamen voor het uitvoeren van de acties die wij van plan; Wanneer dit gebeurt, stellen wij een intrinsieke betekenis van Agentschap. Interessant is dat wordt de vorming van het Agentschap beïnvloed in samenwerkingsmaatregelen mens-computer. Tijdens de coöperatieve taken mens-mens, kan een gemeenschappelijk besef van Agentschap worden gevormd over verkeer²¹; de literatuur suggereert echter dat gedeelde Agentschap is bezwaard tijdens mens-computer samenwerking^22,23. Deze uitdagingen worden weerspiegeld in prothetische Opper-ledemaat gebruik, en de tarieven van de afwijzing van robotic apparaten hoog blijven, met 23-39% van gebruikers stoppen met hun gebruik²⁴. In feite, veel gebruikers van de prothese nog steeds de voorkeur lichaam-aangedreven systemen²⁵. Deze systemen de geautomatiseerde machine verwijderen uit de lus van de controle en meer koppel nauw de gebruiker van de beweging van het lichaam naar de prothese verkeer via de kabels van de draad. Dit versterkt verder het belang van cognitieve integratie in het gebruik van geavanceerde protheses. Wij stellen voor dat NMI systemen een aantal de nodige sensorische en motorische stukken leveren kunnen te helpen bewegen kunstledematen dichter aan de oprichting van een coöperatieve gevoel van Agentschap, en dit zal behulpzaam zijn bij het bevorderen van de aanvaarding en de daadwerkelijke integratie van deze geautomatiseerde machines met hun gebruikers.

Agentschap kan worden gemeten op een aantal manieren. De eenvoudigste maatregelen gebruik psychofysische vragenlijsten of schalen dat expliciet vragen deelnemers aan wie of wat zij schrijven een gebeurtenis^17,26,27. Dit is gebaseerd op de bestaande perceptie van een individu van "zelf" door te eisen dat de deelnemers aan de inferentiële vellen van zelfstandige attributie (d.w.z., expliciet beoordelen of "I" of een andere entiteit verantwoordelijk voor een actie of gebeurtenis was). Impliciete maatregelen inzicht geven in de achtergrond cognitieve processen die zich tijdens de motor actie en zintuiglijke evenementen voordoen. Deze weergave van Bureau probeert te meten die niet expliciet is gezien door een individu. Meestal is dit bereikt doordat deelnemers een waargenomen verschil in zelf en extern-gegenereerde acties, bijvoorbeeld met deelnemers verslag de tijdsduur dat die ze waargenomen optreden tussen een gebeurtenis zelf en extern-gegenereerde karakteriseren ^{17 , 28}. tijdens het uitvoeren van de automatisch gegenereerde acties, agentschap impliciet manifesteert als een perceptuele compressie in tijd tussen acties en hun zintuiglijke gevolgen, bekend als opzettelijk bindende²⁸. Als individuen Rapporteer de tijd die zij waargenomen optreden tussen een actie en het resultaat daarvan, overeen een kortere waargenomen tijdsduur met een sterker gevormde gevoel van Agentschap^29,30. Interessant, is gebleken dat expliciete en impliciete maatregelen niet direct correleren kunnen zoals ze zijn waarschijnlijk het karakteriseren van verschillende mechanismen van perceptuele¹⁷ , die samen het gevoel van het Agentschap op de hoogte. Als zodanig zal tot de oprichting van een vollediger begrip van de formatie van het Agentschap tijdens het gebruik van de prothese waarschijnlijk vereisen experimentele protocollen dienst zowel impliciete als expliciete maatregelen.

Dit werk beschrijft een methodologisch kader dat kan worden gebruikt voor expliciet en impliciet karakteriseren het gevoel van agentschap ontwikkeld over de controle van de NMI van zintuiglijke virtuele of Robotica prothetische handen. Twee technieken voor het meten van Agentschap tijdens het uitvoeren van een sensomotorische object-grijpen taak worden gemarkeerd. Gevestigde psychofysische vragenlijsten zijn te vangen de expliciete ervaring van Bureau, terwijl de schatting van de interval tijd (opzettelijke bindende) worden gebruikt impliciet het meten van het gevoel van agentschap werkzaam.

Het toepassingsgebied van dit protocol is het evalueren van het gevoel van het Agentschap in het kader van een NMI waarmee fysiologisch relevante actieve motorische controle en kinesthetische feedback. Deze technieken zijn gegeneraliseerd tot virtuele of fysieke prothetische NMI-systemen. Er zijn minimale beperkingen op de populaties die kunnen worden aangeworven voor het uitvoeren van dit protocol. Bijvoorbeeld, de mobiliteit van de bovenste ledematen van de deelnemer bilateraal kan niet worden beïnvloed (zij moeten een gezonde ledematen), en zij moeten beschikken over het cognitieve vermogen te vellen op basis van tijd en articuleren ervaren sensaties.

Protocol

Dit protocol eerder heeft goedgekeurd en volgt de richtsnoeren van de Cleveland Clinic's menselijke onderzoek ethisch comité.

1. hardware en Software van het NMI

1. Tot stand brengen van elke individuele deelnemer NMI controle en feedback zodat wanneer ze proberen om uit te voeren van een beweging, ze zien en voelen van een virtuele prothese die beweging te voltooien.
   1. Een hand kinesthetische percept door de deelnemer NMI genereren en vastleggen van de kinematica van de waargenomen beweging door het hebben van de deelnemer laten zien wat ze voelen met hun intacte hand.
      Opmerking: Technieken te karakteriseren kinesthetische percept kinematica hebben geïllustreerd in andere works⁸ en kunnen worden bereikt met behulp van een gegevens-handschoen of een optische bewegingssysteem vastleggen.
   2. Een virtuele hand/prothetische simulatie te reproduceren de kinematica van de beweging percept gebruiken.
   3. Hardware instellen om vast te leggen van de opzettelijke hand beweging controle signalen van de deelnemer NMI.
   4. Deze controle-signaal toewijzen aan de activiteit van de virtuele prothese.
   5. Maak een hoofdsectie programma dat het verwerven van het stuursignaal NMI, de beweging van de virtuele prothese en de generatie van kinesthetische NMI feedback in real-time coördineert.

2. experimentele opstelling

1. Zetel van de deelnemer en de positie van een monitor horizontaal (dat wil zeggen, op zijn rug, naar boven gericht) op een tafel voor hen.
2. De virtuele prothese op de monitor weergegeven en de grootte en locatie aanpassen, zodat het congruently is geplaatst met de locatie van de ontbrekende ledematen.
3. Objecten (bijvoorbeelddrijvende ballen) maken in het virtuele milieu om te dienen als stop punten voor de nauwe en open posities van de hand (eindpunten van beweging).
4. De hoofdsectie programma zodanig configureren dat wanneer de virtuele cijfers maken contact met de virtuele stop punten, een auditieve Toon wordt afgespeeld na een instelbare tijd (300, 500, 700 of 1000 ms).

3. de proefomstandigheden

1. Bouwen van een invoerbestand voor de hoofdsectie programma waarmee de instellingen voor elk afzonderlijk experiment, met inbegrip van de auditieve Toon vertraging, ongeacht de NMI-feedback is ingeschakeld, aan/uit, de snelheid en richting van de virtuele hand beweging, en de vertraging tussen de opdracht en de virtuele hand beweging.
   1. Maak twee controlevoorwaarden, een basislijn en een passieve toestand.
      1. Configureer voor de referentietoestand, de kinematica en de controle van de virtuele hand aan het NMI kinesthetische percept.
         Opmerking: De referentietoestand vertegenwoordigt de ideale congruency voor motor bedoeling, verkeer kinematica en kinesthetische feedback.
      2. De passieve voorwaarde voor het uitvoeren van een virtuele hand beweging wanneer geactiveerd door de onderzoeker (door het besturingselement te verwijderen van de gebruiker) terwijl nog het verstrekken van de deelnemer met de NMI kinesthetische percept Program.
         Opmerking: De passieve toestand vangt de theoretische worst-case Agentschap voorwaarden (d.w.z., verkeer in de afwezigheid van controle [zonder opzet], soortgelijk aan iemands lichaam wegvloeien passief).
   2. Programma aanvullende voorwaarden ter parseren uit de bijdragen aan het Agentschap van motor intentie, kinesthetische sensatie en temporele wanverhouding met de weergegeven kinematica van de virtuele prothese. Overweeg het gebruik van de volgende vijf voorwaarden.
      1. Tegenover de beweging: de NMI kinesthetische feedback geeft aan dat de hand sluit terwijl de hand visualisatie wordt geopend.
      2. Te snel: de hand visualisatie sluit sneller dan aangegeven door de NMI kinesthetische feedback.
      3. Te traag: de hand visualisatie sluit langzamer dan wordt aangegeven door het NMI kinesthetische feedback.
      4. Begin vertraging: de hand visualisatie sluit 1 s later dan aangegeven door de NMI kinesthetische feedback.
      5. Geen feedback: de hand visualisatie wordt gesloten zonder een NMI kinesthetische feedback.

4. uitvoering van het Experiment

1. Instrueren deelnemers naar station de hand van de open naar de gesloten positie zonder te stoppen en te rapporteren hun schatting van de tijdvertraging van toen de virtuele cijfers contact met de virtuele stop punten toen ze de auditieve Toon hoorde.
   Opmerking: Deelnemers kunt een vertegenwoordiging van tijd tussen 0 en 1 s die het meest zinvol voor hen (bvmilliseconden, fracties van seconden, een 0 - 10 schaal).
2. Elk afzonderlijk experiment starten door het indrukken van een startknop op de hoofdsectie-programma, dat wordt verplaatst van de virtuele hand naar de startpositie, signalering van het begin van de proef. Dit cues de deelnemer om te rijden de virtuele hand naar de virtuele stop punten, waardoor een auditieve Toon te spelen na een gerandomiseerde vertraging (300, 500 of 700 ms).
   1. Opnemen van de deelnemer verbaal gerapporteerde schatting van het tijdsinterval voor de vertraging.
3. Organiseren van proeven in experimentele blokken.
   1. Beginnen met twee oefensessies en hen uitsluiten van de definitieve analyse.
      1. In de eerste oefensessie, de deelnemers rijden de hand tot aan het eindpunt van de beweging en spelen de auditieve Toon 1000 ms na de virtuele cijfers de virtuele stop punten voor 10 proeven bereiken.
         1. Deelnemers hoeven niet te melden van de geschatte intervallen voor deze oefensessie.
            Opmerking: Deze stap is noodzakelijk om te oriënteren van de deelnemers op hoe lang een honkslag tweede voelt.
      2. In de tweede oefensessie, nogmaals, hebben de deelnemers rijden de hand tot aan het eindpunt van de beweging. Randomize de auditieve tonen zodat de 300, 500 en 700 ms vertraging intervallen worden ten minste 5 x elk gepresenteerd.
         1. Vragen van deelnemers aan het verslag van de geschatte vertraging intervallen.
         2. Doen niet informeren van de deelnemer van hoe dicht hun ramingen van de vertraging intervallen de werkelijke vertraging tijdens deze praktijk proeven of latere proeven in het experimentele blok zijn.
            Opmerking: Deze stap is belangrijk, omdat deelnemers onervaren wellicht zal in tijd oordeelvorming op een schaal van fracties van een seconde, en de testprocedure mogelijk niet intuïtief aan de deelnemer van de unpracticed test.
   2. Verplaats naar experimentele sets van 15 proeven voor elke voorwaarde. De voorwaarden in een willekeurige volgorde presenteren en beheren van een vragenlijst aan het einde van elke voorwaarde.
      1. Instrueren van de deelnemers te reflecteren over de nieuwste reeks proeven en vul de vragenlijst van de acht-verklaring Agentschap (omvat vier vragen aan het kwantificeren van de expliciete ervaring van Agentschap en vier controle vragen [voorbeeld waarin de Aanvullende bestand])^8,26.
         1. Randomize de verklaringen van de vragenlijst voor ten minste vijf unieke vraag bestellingen te willekeurig worden voorgelegd aan de deelnemers.
   3. Beëindigen van het experimentele blok met een set van 15 proeven voor de passieve voorwaarde en beheren van een vragenlijst na het voltooien van deze proeven.
      Opmerking: Beheren de passieve proeven aan het einde van elk experimentele blok te voorkomen bemoeien met een gevestigde gevoel van Agentschap.
4. Volledige experimentele vier blokken met verschillende gerandomiseerde orders experimentele omstandigheden.
5. Meerdere mogelijkheden bieden gedurende de looptijd van het testen voor de deelnemers om een pauze te nemen. Er is geen minimale tijd of de termijn voor deze onderbrekingen, maar zorg ervoor de deelnemer niet fysiek of mentaal vermoeid vóór voortzetting van het testen.

Resultaten

Het experimentele protocol werd uitgevoerd met drie geamputeerde deelnemers die een zintuiglijke virtuele prothese via hun NMI⁸ (Figuur 1). De setup gebruikt een deelnemer-controleerbaar virtuele hand voorgeprogrammeerde kinematische profielen met behulp van de MuJoCo HAPTIX natuurkunde motor³¹doorlopen. De virtuele hand werd getoond op een horizontale monitor voor de deelnemers aan een locatie ruimteli...

Discussie

Hier wordt een methodologisch kader gepresenteerd om het karakteriseren van de ervaring van Agentschap gevormd terwijl de bedrijfslasten zintuiglijke prothesen via NMIs. In dit verband is agentschap met name relevant als overbrugt het fysieke handeling op de achtergrond cognitieve processen die vorm van perceptie. Door een deelnemer prothese en NMI, we hebben directe toegang tot een aantal belangrijke elementen die het gevoel van het Agentschap vast: intentie, motor output en verkeer sensatie. Van belang is voor...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
LabVIEW 2015, Service Pack 1, Version 15.0.1f2 64-bit	National Instruments, Austin, TX, USA	Full of Pro Versie	We schreven aangepast software in LabVIEW om virtuele prothesebesturing met kinesthetische feedback te coördineren, evenals om experimentele omstandigheden te presenteren en gegevens te registreren.
8-Slot, USB CompactDAQ Chassis	National Instruments, Austin, TX, USA	cDAQ-9178
±60 V, 800 kS/s, 12-Bit, 8-kanaals C Series Spanning Invoermodule	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9221
100 kS/s/ch Gelijktijdig, ±10 V, 4-kanaals C Series Spanning Uitvoermodule	National Instruments, Austin, TX, USA	NI-9263
Aangepaste Draagbare Kinesthetische Tactor	HDT Global, Solon, OH, USA	N/A	Dit item was op maat gemaakt. Andere methoden voor het leveren van kinesthetische feedback zijn acceptabel zolang de deelnemer de sensatie voelt van de hand die zich in real-time beweegt met de bewegingen van de virtuele hand.
MuJoCo Physics Engine, HAPTIX Versie	Roboti LLC, Redmond, WA, USA	mjhaptix150	Nieuwere versies van MuJoCo zouden ook acceptabel moeten zijn. We gebruikten het MPL Gripper Model.
Myobock Elektroden, aangedreven door Otto Bock EnergyPack in MyoBoy Batterij Contactdoos	Ottobock, Duderstadt, Duitsland	elektroden: 13E200=60 batterij: 757B21 batterij contactdoos: 757Z191=2	Elke opstelling die een versterkte, gefilterde en gerectificeerde EMG of neurale controle signaal kan leveren, zou kunnen worden gebruikt.