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Behavior

Charakterisierung des Sinnes der Agentur über die Aktionen der Neural-Maschine-Schnittstelle betrieben Prothesen

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58702
Automatic Translation
1, 1, 1,2, 1, 3, 1,4
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

Summary

Hier präsentieren wir ein Protokoll, das Gefühl der Agentur entwickelt, die Kontrolle über sinnlich virtuell oder Roboter Handprothesen charakterisiert. Psycho-physischen Fragebögen werden eingesetzt, um die explizite Erfahrung der Agentur zu erfassen, und Intervall Zeitschätzungen (vorsätzliche Bindung) werden eingesetzt, um implizit das Gefühl der Agentur messen.

Abstract

Diese Arbeit beschreibt einen methodischen Rahmen, der verwendet werden kann, um explizit und implizit charakterisieren das Gefühl der Agentur entwickelte sich im Laufe der neural-Maschine-Schnittstelle (NMI) Kontrolle der sinnlich virtuell oder Roboter Handprothesen. Die Bildung der Agentur ist von grundlegender Bedeutung bei der Unterscheidung der Aktionen, die wir mit unserer Gliedmaßen als unsere eigenen ausführen. Durch das Streben, erweiterte Prothesen der oberen Extremität in dieser gleichen perzeptuellen Mechanismen zu integrieren, können wir beginnen, eine Prothese des Benutzers vorhandenen kognitiven Rahmen für Gliedmaßen Kontrolle stärker integrieren. Dies hat gravierende Auswirkungen bei der Förderung der Akzeptanz, Nutzung und wirksame Kontrolle der fortgeschrittenen Prothesen der oberen Extremität. In diesem Protokoll Teilnehmer einer virtuellen Handprothese zu kontrollieren und kinästhetisches sensorisches Feedback über ihre bereits vorhandene NMIs erhalten. Eine Reihe von virtuellen greifen Aufgaben durchgeführt und Störungen werden systematisch in die kinästhetischen Rückmeldungen und virtuelle Handbewegungen eingeführt. Zwei verschiedene Maßnahmen der Agentur beschäftigt: etablierte psychophysischen Fragebögen (um die explizite Erfahrung der Agentur zu erfassen) und einem Zeitintervall schätzen Aufgabe um die impliziten Gefühl der Agentur (vorsätzliche Bindung) zu erfassen. Ergebnisse dieses Protokolls (Fragebogen Partituren und Zeitintervall schätzt) können analysiert werden, um das Ausmaß der Agentur Bildung zu quantifizieren.

Introduction

Wie Roboter Prothesen immer weit fortgeschritten, wird die Bedeutung der relevanten sensorisches Feedback weiter wachsen. Sensorisches Feedback wirkt sich wie Menschen wahrnehmen, interagieren und sogar ihre Körperschemas Maschinen integrieren. Den letzten NMI-Techniken können jetzt bieten Prothese Nutzern intuitive Steuerung und erreichen mit verbundenen Empfindungen berühren1,2,3,4,5,6 , 7 und Kinästhesie (Bewegung Sinn)8,9 in fehlenden Gliedmaßen. Wenn diese sensorische Informationen mit den visuellen Informationen durch die Beobachtung der künstlichen Gliedmaßen während des Betriebs gekoppelt ist, haben wir Zugriff auf wichtige Elemente, die die Unterscheidung von selbst-versusinformieren-andere. Nutzen diesen Zugang kann helfen, Prothese Benutzer einen Schritt näher zu bringen, um eine Prothese als Teil ihres Körpers, anstatt nur ein Werkzeug in Betrieb.

Körperbewusstsein und das Gefühl des Seins verkörpert ergibt sich aus der Einrichtung der Agentur (die Erfahrung der Urheberschaft einer Extremität Aktionen) und Besitz (das Gefühl, dass ein Glied ein Teil des Körpers ist)10,11. Eigentum ist in erster Linie durch die Integration von Touch und visuelle Informationen12vermittelt. Agentur ergibt sich aus der Integration von Absicht, Bewegung Empfindung (Kinästhesie), visuelle Informationen und kognitive Vorhersagemodelle11. Während der Aufführung einer freiwilligen Aktion Agentur entsteht, wenn die sensorischen Folgen dieser Aktion mit dem ausführenden Absicht und Vorhersagen aus der Performer interne Modelle13ausrichten. Agentur ist verschieden vom Besitz. Das Konzept der Eigenverantwortung der Gliedmaßen wurde häufig in Prothese Literatur14untersucht. Ein Gefühl der Extremität Eigentum Formen in NMI Teilnehmer beim Touch Feedback räumlich und zeitlich angemessen, da die gemessenen explizit durch Fragebögen oder implizit durch stumpfes Temperaturänderungen oder zeitliche Reihenfolge Urteile15ist. Jedoch gab es weniger Möglichkeiten zur Erkundung der Agentur im Rahmen des NMI16. Jüngsten Arbeiten mit NMI Teilnehmer hat gezeigt, dass Agentur gezielt gefördert werden kann und ist unabhängig von der Erfahrung des Eigentums8.

Agentur ist besonders wichtig in den Betrieb der Roboter Prothesen wie eine kognitive Verbindung zur Steuerung der Prothese körperliche Handlungen durch Erfahrungen der Kausalität, das Gefühl der Kontrolle der künstlichen Gliedmaßen oder etwas zu verursachen passieren Sie,17. Roboter-Prothesen sind erweiterte computergesteuerte Maschinen, die der Benutzer zusammenarbeiten muss Aufgaben effektiv erledigen. Einige Prothesen haben autonome Funktionen wie Griff-Rutsch Erkennung und Korrektur aufgenommen; Diese Systeme haben noch begrenzte Annahme gesehen, wie Funktionalität, die außerhalb der Kontrolle des Benutzers laufen so frustrierend eingesehen werden, wenn nicht entsprechend umgesetzt8,18. Dies stellt eine grundlegende Herausforderung, die in Anwendungen der menschlichen Zusammenarbeit mit autonomen Maschinen aufgegriffen wird. Das heißt, Menschen Vertrauen oft ihre eigenen Handlungen über solche, die aus einer Zusammenarbeit mit Computern oder Maschinen und dieses Vertrauen beeinflusst direkt des Betreibers Wahrscheinlichkeit, die autonomen Funktionen19,20zu verwenden. Als Menschen Vertrauen wir von Haus aus uns selbst und unseren Körper für die Aktionen, die wir wollen; Wenn dies erreicht ist, schaffen wir einen inneren Sinn der Agentur. Interessanterweise ist die Gründung der Agentur im Mensch-Computer-Kooperationsmaßnahmen beeinflusst. Während der Mensch-Mensch kooperative Aufgaben kann ein gemeinsames Verständnis von Agentur über Bewegung21gebildet werden; jedoch schlägt die Literatur, dass gemeinsame Agentur während der Mensch-Maschine-Kooperation22,23belastet ist. Diese Herausforderungen spiegeln sich in Prothetik Obere Extremität Verwendung und Ausschussquoten robotische Geräte bleiben hoch, mit 23-39 % von Benutzern, die ihre Nutzung24absetzen. In der Tat lieber viele Prothese Benutzer immer noch Körper betriebene Systeme25. Diese Systeme die computergesteuerte Maschine aus den Regelkreis und mehr Paar eng Bewegung des Körpers des Benutzers auf die Prothese Bewegung über Drahtseile. Dies verstärkt weiter die Bedeutung der kognitiven Integration bei der Verwendung von erweiterten Prothesen. Wir empfehlen, dass NMI-Systeme eine Reihe von notwendigen sensorischen und motorischen Teile bieten, künstliche Gliedmaßen näher zu bewegen, um eine kooperative Gefühl der Agentur zu helfen, und dies wird maßgeblich fördern die Akzeptanz und die echte Integration dieser computergesteuerte Maschinen mit ihren Nutzern.

Agentur kann in verschiedener Weise gemessen werden. Die einfachsten Maßnahmen verwenden psychophysische Fragebögen oder Skalen explizit bitten die Teilnehmer, wen oder was sie schreiben ein Ereignis17,26,27. Diese stützt sich auf ein Individuum bestehende Wahrnehmung der "selbst" durch die Forderung der Teilnehmer zu schlussfolgernde Urteile des selbständigen Namensnennung (d.h., explizit zu beurteilen, ob "Ich" oder einer anderen juristischen Person für eine Aktion oder Veranstaltung verantwortlich war). Implizite Measures geben Einblick in den Hintergrund kognitive Prozesse, die während der motorischen Aktion und sensorischen Veranstaltungen auftreten. Diese Ansicht der Agentur versucht, das zu messen, die nicht ausdrücklich vom Individuum wahrgenommen wird. In der Regel wird dies erreicht, indem man Teilnehmer einen wahrgenommene Unterschied in selbst - und extern generiert zu charakterisieren, Aktionen, zum Beispiel mit Teilnehmern die Dauer der Zeit, die sie wahrgenommen berichten, um zwischen einem selbst und nach außen-generierte Ereignis auftreten 17 , 28. während der Aufführung des selbst erzeugten Aktionen Agentur implizit manifestiert sich als eine wahrnehmbare Kompression in der Zeit zwischen Aktionen und ihre sensorischen Konsequenzen, bekannt als vorsätzliche Bindung28. Wenn Personen die Zeit Wahrnehmung zwischen einer Aktion und ihrer Ergebnisse auftreten berichten, entspricht wahrgenommene kürzer Zeit zu einem stärker gegründeten Agentur29,30. Interessanterweise wurde nachgewiesen, dass explizite und implizite Maßnahmen nicht direkt korrelieren können, wie sie wahrscheinlich Charakterisierung sind unterschiedliche Wahrnehmungs Mechanismen17 , die zusammen das Gefühl der Agentur zu informieren. Einrichtung ein umfassenderes Verständnis der Agentur Bildung während des Gebrauchs der Prothese wird als solche wahrscheinlich experimentelle Protokolle mit expliziten und impliziten Maßnahmen erfordern.

Diese Arbeit beschreibt einen methodischen Rahmen, der verwendet werden kann, um explizit und implizit charakterisieren das Gefühl der Agentur die NMI Kontrolle über sinnlich virtuell oder Roboter Handprothesen entwickelt. Zwei Techniken zur Messung der Agentur während der Wahrnehmung einer sensomotorischen Objekt greifen werden hervorgehoben. Etablierten psychophysische Fragebögen werden eingesetzt, um die explizite Erfahrung der Agentur, zu erfassen, während Zeitschätzungen Intervall (vorsätzliche Bindung) beschäftigt sind, um das Gefühl der Agentur implizit zu messen.

Der Umfang dieses Protokolls ist, das Gefühl der Agentur im Zusammenhang mit einer NMI auszuwerten, die physiologisch relevanten aktive Motorsteuerung und kinästhetische Feedback bietet. Diese Techniken sind verallgemeinerbare auf virtuellen oder physischen prothetische NMI-Systeme. Es gibt minimale Beschränkungen auf die Bevölkerung, die zur Durchführung dieses Protokolls eingestellt werden können. Zum Beispiel nicht die Mobilität der oberen Gliedmaßen des Teilnehmers auf bilateraler Ebene beeinflusst werden (sie müssen eine solide Gliedmaße), und sie müssen die kognitive Fähigkeit besitzen, zeitbasierte Urteile und erfahrenen Empfindungen zu artikulieren.

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Protocol

Dieses Protokoll zuvor genehmigt wurde und folgt den Richtlinien der Cleveland Clinic Humanforschung Ethik-Kommission.

(1) Hardware und Software der NMI

  1. Jedes einzelnen Teilnehmers NMI Kontrolle und Feedback zu etablieren, so dass wenn sie versuchen, eine Bewegung auszuführen, sie sehen und eine virtuelle Prothese fühlen, dass Bewegung zu vollziehen.
    1. Eine Hand kinästhetische Wahrnehmung durch den Teilnehmer NMI zu generieren und die Kinematik der wahrgenommene Bewegung zu erfassen, indem er die Teilnehmer zeigen, was sie fühlen mit ihrer intakten Hand.
      Hinweis: Techniken, um kinästhetische Wahrnehmung Kinematik charakterisieren in anderen Werken8 dargestellt und mit einem Datenhandschuh oder einer optischen Motion-Capture-System erreicht werden können.
    2. Verwenden Sie eine virtuelle Hand/prothetischen Simulation, um die Kinematik der Bewegung der Wahrnehmung zu reproduzieren.
    3. Richten Sie Hardware, die absichtliche Hand Bewegung Steuersignale von der Teilnehmer NMI zu erfassen.
    4. Die Aktivität der virtuellen Prothese dieses Steuersignal zuordnen.
    5. Erstellen Sie ein master-Regler-Programm, das die Übernahme des Steuersignals NMI, die Bewegung der virtuellen Prothese und die Generation der kinästhetischen NMI-Feedback in Echtzeit koordiniert.

2. Versuchsaufbau

  1. Platz für die Teilnehmer und einen Monitor horizontal positionieren (d. h.auf der Rückseite nach oben) auf einem Tisch vor ihnen.
  2. Die virtuelle Prothese auf dem Monitor angezeigt und ihre Größe und Position so einstellen, dass sie deckungsgleich mit dem Standort ihrer fehlenden Gliedmaßen positioniert ist.
  3. Rendern Sie Objekte (z.B., schwimmende Kugeln) in der virtuellen Umgebung als Haltepunkte für die engen und offenen Positionen der Hand (Endpunkte der Bewegung) zu dienen.
  4. Das master-Regler-Programm so konfigurieren, dass wenn die virtuelle Ziffern machen Kontakt mit der virtuellen Haltepunkte, ein akustischer Ton gespielt wird, nach eine einstellbare Zeit verzögern (300, 500, 700 oder 1000 ms).

(3) experimentellen Bedingungen

  1. Bauen Sie eine Eingabedatei für das master-Regler-Programm, das gibt die Einstellungen für jeden Versuch, einschließlich der auditiven Ton Verzögerung, ob das NMI Feedback ein-/ausschalten, die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung der virtuellen Hand, und die Verzögerung zwischen dem Befehl aktiviert ist und die virtuelle Handbewegung.
    1. Erstellen Sie zwei Kontrolle Bedingungen, einen Basisplan und einem passiven Zustand.
      1. Konfigurieren Sie für den Ausgangszustand die Kinematik und die Kontrolle über die virtuelle Hand entsprechend der NMI kinästhetische Wahrnehmung.
        Hinweis: Der Ausgangszustand repräsentiert die ideale Kongruenz der motor Absicht, Bewegung Kinematik und kinästhetischen Rückmeldungen.
      2. Programmieren Sie den passiven Zustand, eine virtuelle Handbewegung Auslösung durch den Prüfarzt (entfernen das Steuerelement aus der Benutzer) durchzuführen und gleichzeitig noch die Teilnehmer mit dem NMI kinästhetische Wahrnehmung.
        Hinweis: Der passive Zustand fängt die theoretische Worst-Case-Agentur-Bedingungen (d.h., Bewegung in der Abwesenheit von Kontrolle [ohne Absicht], ähnlich wie bei den Körper passiv bewegt wird).
    2. Programm zusätzliche Bedingungen zu analysieren, die Beiträge zu Agentur motor Absichtserklärungen, kinästhetische Empfindung und zeitliche Diskrepanz mit der angezeigten Kinematik der virtuellen Prothese entwickelt. Verwenden Sie die folgenden fünf Bedingungen.
      1. Gegenbewegung: das NMI kinästhetische Feedback zeigt, dass die Hand schließt, während die Hand Visualisierung öffnet.
      2. Zu schnell: die Hand-Visualisierung schließt schneller als durch das NMI kinästhetisches Feedback angegeben.
      3. Zu langsam: die Hand-Visualisierung schließt langsamer als durch das NMI kinästhetisches Feedback angezeigt.
      4. Beginn Verzögerung: die Hand Visualisierung schließt 1 s später als durch das NMI kinästhetisches Feedback angezeigt.
      5. Kein Feedback: die Hand-Visualisierung schließt ohne NMI kinästhetisches Feedback.

4. Leistung des Experiments

  1. Weisen Sie Teilnehmer zu fahren die Hand von der offenen in die geschlossene Position ohne zu stoppen und ihre Einschätzung der Zeitverzögerung von wann die virtuelle Ziffern den virtuellen Haltepunkte kontaktiert, wenn sie den auditiven Ton gehört zu berichten.
    Hinweis: Teilnehmer können Darstellung der Zeit zwischen 0 und 1 s verwenden, die am sinnvollsten für sie(z. B.Millisekunden, Bruchteile von Sekunden, 0 - 10 Skala).
  2. Jede Prüfung durch Drücken einer Schaltfläche "Start" auf der master-Regler-Programm, das die virtuelle Hand bewegt sich in die Startposition, signalisiert den Beginn der klinischen Prüfung zu initiieren. Diese Hinweise den Teilnehmer um die virtuelle Hand fahren, um die virtuellen Haltepunkte, wodurch einen auditiven Ton, nach einer randomisierten Verzögerung zu spielen (300, 500 oder 700 ms).
    1. Notieren Sie die Teilnehmer mündlich berichtet Schätzung des Zeitintervalls Verzögerung.
  3. Studien in experimentellen Blöcke zu organisieren.
    1. Beginnen Sie mit zwei Trainings und Ausgrenzen aus der letzten Analyse.
      1. Haben Sie im ersten Training die Teilnehmer fahren die Hand an den Endpunkt der Bewegung und spielen Sie den auditiven Ton 1.000 ms zu, nachdem die virtuelle Ziffern der virtuellen Stopppunkte für 10 Studien erreichen.
        1. Teilnehmer müssen nicht die geschätzten Intervalle für diese praktische Übung zu melden.
          Hinweis: Dieser Schritt ist erforderlich, die Teilnehmer, wie lange eine einzige Sekunde fühlt sich zu orientieren.
      2. Im zweiten Training wieder, haben Sie die Teilnehmer fahren die Hand an den Endpunkt der Bewegung. Randomisieren Sie die akustische Töne, damit die 300, 500 und 700 ms Verzögerung Intervalle von mindestens 5 x jeweils dargestellt werden.
        1. Bitten Sie die Teilnehmer, die geschätzte Verzögerung Intervalle zu melden.
        2. Informieren Sie die Teilnehmer, wie nah ihre Schätzungen der Verzögerung Intervalle die tatsächliche Verzögerung während dieser Praxis Studien oder Nachfolgeprozesse in den experimentellen Block sind nicht.
          Hinweis: Dieser Schritt ist wichtig, da Teilnehmer wahrscheinlich unerfahren werden in der Zeit Urteile auf einer Skala von Bruchteilen einer Sekunde, und das Testverfahren möglicherweise nicht intuitiv zu der ungeübte Test-Teilnehmer.
    2. Verschieben Sie an experimentellen Gruppen von 15 Studien für jede Bedingung. Die Bedingungen in einer randomisierten Reihenfolge zu präsentieren und einen Fragebogen am Ende jeder Bedingung zu verwalten.
      1. Weisen Sie die Teilnehmer reflektieren den aktuellen Satz von Studien und füllen Sie die acht-Anweisung Agentur Fragebogen (enthält vier Fragen, die explizite Erfahrung der Agentur zu quantifizieren und vier Kontrollfragen [Beispiel in der Ergänzende Datei])8,26.
        1. Zufällig die Fragebogen-Anweisungen geben mindestens fünf einzigartige Frage Aufträge an die Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip vorgelegt werden.
    3. Die experimentelle Block mit einem Satz von 15 Studien für den passiven Zustand zu beenden und einen Fragebogen nach Abschluss dieser Prüfungen zu verwalten.
      Hinweis: Verwalten der passive Prüfungen am Ende jeder experimentellen Block zu vermeiden mit einem etablierten Agentur stören.
  4. Komplette vier experimentelle Blöcke mit verschiedenen randomisierten Ordnungen der experimentellen Bedingungen.
  5. Bieten Sie mehrere Möglichkeiten, über die Dauer der Tests für die Teilnehmer, eine Pause einzulegen. Es gibt keine minimale Zeit oder Frist für diese Pausen, aber sicherstellen, dass der Teilnehmer nicht körperlich oder geistig erschöpft vor der Fortsetzung der Prüfung ist.

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Representative Results

Das experimentelle Protokoll wurde mit drei Amputierte Teilnehmer Betrieb ein sinnlich virtuelle Prothese über ihre NMI8 (Abbildung 1) durchgeführt. Das Setup verwendet eine Teilnehmer-steuerbare virtuelle Hand bewegt durch vorprogrammierte kinematische Profile mit MuJoCo HAPTIX Physik-Engine31. Die virtuelle Hand war auf einem horizontalen Monitor vor den Teilnehmern an einem Ort räumlich deckungsgleich mit ihren fehlenden Gliedmaßen angezeigt. Die NMI-Teilnehmer hatte zuvor eine neuronale Umverdrahtung Operationsverfahren (gezielte Reinnervation) durchlaufen, die mit standard Prothese myoelektrischen (EMG) Regelstrategien ermöglichen intuitive Steuerung der virtuellen Hand32gekoppelt war; So konnten die Teilnehmer die virtuelle Hand "denken" vorbeifahren über öffnen und schließen ihre fehlende Hand. Strategischen Schwingungen von den Teilnehmern chirurgisch anzufassen Muskeln angeregt illusionäre Wahrnehmungen der Handbewegung, die Bereitstellung einer Plattform für kinästhetische sensorisches Feedback8. Durch kundenspezifische Software wurden EMG Hand Steuersignale und virtuelle Prothese Renderings mit der Ausgabe einer Vibration Feedback Vorrichtung integriert. Wenn der Teilnehmer eine Bewegung der angezeigten virtuellen Hand initiiert, würde die Schwingung eine entsprechende abgestimmte Sensation einer komplexen Griff-Bewegung in der fehlenden Hand auslösen.

Figure 1
Abbildung 1: ein Beispiel-Setup, das erfüllt die Anforderungen an die Agentur zu charakterisieren. Dieses Setup bietet dem Anwender mit intuitiver Steuerung und kinästhetische Feedback einer angezeigten virtuellen Hand. Virtuelle Hand Kontrolle und Feedback werden durch die neuronale-Maschine-Schnittstelle mit myoelektrischen Steuerung und Schwingungsanregung (entlocken illusorisch Bewegung Wahrnehmungen der fehlenden Gliedmaßen) der Amputierte reinnverierte Muskulatur erreicht. Kontrolle und Feedback sind durch ein Datenerfassungssystem und Computer mit Individualsoftware koordiniert. Virtuelle Hand Kinematik sind für den Benutzer auf eine horizontale Monitor angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2A ist für den Vergleich der explizite Maßnahmen der Agentur unter der Feedback-Bedingungen zur Verfügung gestellt. Der Durchschnittswert für die vier Agentur Fragen (und vier Kontrollfragen) werden hier für jeden Teilnehmer und jede Rückmeldung Zustand dargestellt. In Abbildung 2 bsind diese Teilnehmer Einzelnoten gemittelt und für jedes Feedback-Zustand, mit der Fehlerbalken repräsentieren die durchschnittliche Standardabweichung dargestellt. Eine durchschnittliche Bewertung größer als 1 zeigt eine Vereinbarung mit einer bestimmten Aussage und 0 Neutralität der Vereinbarung26. Höhere Zustimmung Bewertungen (≥ 1) für die Agentur Fragen zeigen eine größere Erfahrung der Agentur. Die Antworten auf die Kontrollfragen sollen negativ oder Neutral (≤ 0) und eine Punktzahl zwischen 0 und 1 wird als nicht schlüssig. Die "Grundlinie", "zu schnell" und "keine Rückmeldung" Zustand zeigte die niedrigsten durchschnittlichen Intervall schätzt darauf hinweist das stärkste Gefühl der Agentur gebildet, während die "Passive" und "Gegenbewegung" Bedingungen demonstriert das schwächste Gefühl der Agentur.

Figure 2
Abbildung 2: explizite Maßnahmen der Agentur unter jeder Bedingung Feedback. (A) die durchschnittliche Punktzahl für die vier Agentur und vier Kontrollfragen an jeden Teilnehmer unter jeder Bedingung Feedback zur Verfügung gestellt. (B) die durchschnittliche Noten über Teilnehmer unter jeder Bedingung Feedback. Die Fehlerbalken repräsentieren die Standardabweichung. In beide Grundstücke, eine durchschnittliche Bewertung größer als + 1 Vertrag gibt und für die Agentur Fragen, die Bildung von Agentur, während 0 Neutralität angibt. Diese Zahl wurde von Marasco Et Al. modifiziert 8. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Für einen Vergleich der schätzt des Zeitintervalls für jeden Teilnehmer im Durchschnitt vorsätzliche verbindlich in jedem Zustand Feedback Abbildung 3A zeigt nach Feedback Zustand. Unterschiede zwischen der tatsächlichen und vermeintlichen Zeitintervallen wurden dann gemittelt über die drei Teilnehmer und sind in Abbildung 3 b im Verhältnis zu den Ausgangszustand Feedback vorgestellt. Die Fehlerbalken bezeichnen die durchschnittliche Standardabweichung. Unteren Zeitintervall schätzt (Abbildung 3A) und größere negative Unterschiedsbeträge (Abb. 3 b) sind ein Hinweis auf ein stärkeres impliziten Gefühl der Agentur. Die "zu schnelle" Bedingung, gefolgt von den Ausgangszustand demonstriert die niedrigsten durchschnittlichen Intervall Schätzungen zufolge zeigt das stärkste Gefühl der Agentur gegründet, die "Gegenbewegung" Zustand der schwächste Gefühl der Agentur gezeigt, daß.

Figure 3
Abbildung 3: Implizite Maßnahmen der Agentur über Zeit Intervall Schätzungen unter jeder Bedingung Feedback. (A) schätzt die durchschnittliche Intervall für das Verzögerungsintervall zwischen den Abschluss der virtuellen Hand nah und der auditive Ton aufgetragen für jeden Teilnehmer nach dem Zufallsprinzip über jedes präsentiert aktuelle Intervall. Die Ergebnisse sind für jedes Feedback Zustand dargestellt, und eine niedrigere Schätzung zeigt ein stärkeres Gefühl der Agentur. Diese Platten wurden von Marasco Et Al. modifiziert 8. (B) die durchschnittliche Differenz (über Teilnehmer und Verzögerung Intervalle) die tatsächliche zeitliche Verzögerung und des Teilnehmers geschätzt Zeitintervall bezogen auf den Ausgangszustand Feedback. Die Ergebnisse sind für beide dargestellt. Hier ein negativer Wert bedeutet eine durchschnittliche Verantwortungsbewusstsein der Agentur, und CI 95 %-Konfidenzintervall (CI) bezeichnet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4 ermöglicht einen Vergleich der expliziten und impliziten Agentur Maßnahmen. Die durchschnittliche Differenz zwischen tatsächlichen und vermeintlichen Zeitintervalle werden bezogen auf die Ergebnisse der Rückmeldungen Ausgangszustand und in Bezug auf die gemittelten Agentur Fragebogen Punkte für jedes Feedback Zustand dargestellt. In dieser Präsentation von Daten Bewegung von links nach rechts auf der x-Achse zeigt einen Rückgang der explizite Erfahrung der Agentur und Bewegung von unten nach oben auf der y-Achse zeigt einen Rückgang der impliziten Gefühl der Agentur. Wie in Abbildung 2 und Abbildung 3demonstriert die "zu schnelle" Zustand die stärkste Bildung der Agentur, explizit und implizit.

Figure 4
Abbildung 4: durchschnittliche explizite und implizite Maßnahmen der Agentur für jede Rückmeldung Bedingung, kombiniert die Ergebnisse in Abbildung 2 b und Abbildung 3 b. Die durchschnittliche explizite Agentur Ergebnisse sind auf der x-Achse aufgetragen und die durchschnittliche Intervall-Schätzungen sind auf der y-Achse aufgetragen. Die Fehlerbalken kennzeichnen Standardabweichung. Von links, rechts auf die x-Achse zeigt einen Rückgang der explizite Erfahrung der Agentur und Bewegung von unten nach oben auf der y-Achse zeigt einen Rückgang der impliziten Gefühl der Agentur. Diese Zahl wurde von Marasco Et Al. modifiziert 8. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Hier wird ein methodischer Rahmen präsentiert, um die Erfahrung der Agentur gebildet während des Betriebs sinnlich Prothesen über NMIs charakterisieren. In diesem Zusammenhang ist die Agentur besonders relevant, da es körperliche Aktion kognitive Hintergrundprozessen überbrückt, die Wahrnehmung prägen. Durch eines Teilnehmers Prothese und NMI, haben wir direkten Zugriff auf eine Reihe von wichtige Elemente, die das Gefühl der Agentur zu etablieren: Absicht, Motorleistung und Bewegung Empfindung. Von Bedeutung für erweiterte Prothese steuern, nutzen die Tools in dieser Arbeit zur Verfügung gestellt diese direkten Zugang zu helfen entsperren verstehen wie diese Elemente des Benutzers Gefühl der Kontrolle über, zu fördern und die kognitive Integration, Handlungen von ihren Prothese.

Die Techniken, die hervorgehoben sind flexibel, dass sie mit jedem NMI Forschung und klinischen Prothesensystem eingesetzt werden können, solange sie die Kriterien für Echtzeit-perzeptuell relevanten Steuerungs- und kinästhetische. Der Vorteil, die viele NMIs ist das Potenzial für intuitive Steuerung erreicht durch den Einsatz der Nervenbahnen, die postamputation bleiben. Dies ermöglicht die Messung der physiologischen Restaktivität sobald intakten Gliedmaßen Bewegung begleitet, die wiederum können dekodiert und die entsprechenden virtuellen oder prothetische Gliedmaßen Bewegung zugeordnet. Daher die meisten NMI Techniken sollten die Voraussetzung für Wahrnehmung relevanten Kontrolle gerecht zu werden, sofern die neuronale Aktivität und die begleitenden digitale Schnittstelle zuverlässig Ausgangssignale produzieren können, die entsprechend zugeordnet werden kann die virtuelle Hand. Der experimentelle Aufbau erfordert auch ein System, das die Ermittler mit der Fähigkeit, aktiv initiieren kinästhetische Empfindungen in Echtzeit mit der angezeigten virtuelle Hand Kinematik. Dies ist eine entscheidende Voraussetzung, da ein Gefühl der Agentur über Bewegungen festgestellt wird, wenn wir eine Aktion und entsprechende sensorisches Feedback wird während der Ausführung dieser Aktion13zurückgegeben. Wieder, solange dieses Kriterium erfüllt ist, werden die meisten NMI-kinästhetische Feedback-System geeignet.

Die hier vorgestellten Techniken haben den Vorteil der Bewertung expliziter und impliziter kognitive Wahrnehmung Maßnahmen der Agentur. Es gibt Hinweise darauf, dass jeder kann eine Folge der eigenen kognitiven Mechanismen, die zusammen eine komplette Sinne der Agentur17bilden; Allerdings gibt es immer noch kein vollständiges Verständnis dieser Beziehung. Die Ergebnisse von diesen Maßnahmen sind quantitative und leicht interpretiert. Rückgang der Zeit Intervall Schätzungen legen nahe, dass ein stärkeres impliziten Gefühl der Agentur gegründet wurde. Ebenso zeigen höhere Werte der Fragebogen auf Agentur Aussagen eine stärkere explizite Erfahrung der Agentur. Es wird vorgeschlagen, dass diese quantitative Werte eine Grundlage zur Bewertung und tune NMI Kontroll- und sensorisches Feedback geben können. Z. B. geschlossen, die in einer früheren Arbeit8 , die hier in Abbildung 4gemeldet werden, Teilnehmer oft kleinere wahrgenommene Zeitintervalle und explizit gemeldet stärkere wahrgenommene Agentur als eine virtuelle Hand angezeigt wurde etwas schneller als die kinästhetische Sensation erlebten sie. Dies zeigt an, dass der Benutzer ein stärkeres Gefühl der Kontrolle über die Aktionen der Hand fühlte sich explizit ausgewiesen, sondern schlägt auch vor, dass diese schneller kinematische Anzeige die kognitiven Prozesse, die dieses Gefühl der Kontrolle stärker etablieren zugeordnet. Als solche kann eine Anpassung an das NMI Kontrollschema einer klinischen Prothese schneller Hand schließen unterzubringen zur Verbesserung des Benutzers Wahrnehmung der Kontrolle über ihre physischen Gerät und fördern des Benutzers des Geräts Maßnahmen wie selbst erstellte.

Die vorgestellten Techniken können auch eingesetzt werden, bilden ein umfassenderes Verständnis der wie mehrere Sinnesmodalitäten Wahrnehmungen des Eigentums über künstliche Glieder beeinflussen können. Das Paradigma präsentiert hier um ihre möglichen einzelnen Rollen im Sinne der Agentur potenzierende bewerten können z. B. Touch sensorisches Feedback (oder anderen Sinnesmodalitäten) integriert werden. Darüber hinaus können die hier vorgestellten Techniken mit Maßnahmen des Besitzes zu umfassender charakterisieren die Zusammenhänge zwischen Agentur, Verkörperung und einzelnen Sinnesmodalitäten gekoppelt werden. Die bereitgestellten Methoden können auch breitere Anwendbarkeit über NMI-gesteuerten Geräten haben. Ähnliche experimentelle Aufgaben konnten mit komplexen Steuerungen (z. B. myoelektrischen Mustererkennung), traditionelle myoelektrischen Prothesen, sowie Körper betriebene Systeme und Systeme ohne NMI sensorisches Feedback umgesetzt werden. Dieses kann für eine einzigartige Perspektive verstehen, wie kognitive Prozesse erlauben, weniger "natürlich" Steuerungs- und Paradigmen zu reagieren und geben Einblicke in wie Agentur und Wahrnehmungen der Kontrolle während des Betriebs der traditionelleren Forschung tätig werden können oder klinische Prothetik-Systeme.

Wie Roboter Prothesen immer raffiniertere, wachsen also nicht die Notwendigkeit einer wirksamen Kontrolle und kognitive Integration dieser Geräte zu. Sensation ist ein Weg, um eine Reihe von kritischen Hindernisse, und, um die Untermauerung Mechanismen zu beurteilen, die Bewegung Empfindung und Informationen zu verarbeiten, ist ein wichtiges Stück. Die hier zur Verfügung gestellten Tools können unterstützen, die Integration von Geräten mit Benutzern durch die Charakterisierung der expliziten und impliziten Bildung der Agentur. Diese Techniken helfen, quantifizieren die Vorteile des angeborenen Zugriffs auf intuitive Motorsteuerung und Empfindung, dass NMIs vorsehen und eine Plattform für die Bewertung und tuning bieten, um letztlich die Wahrnehmungen der Kontrolle über ihre künstlich zu verbessern Limb.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchten Madeline Newcomb danken für ihre Verdienste um die Figur-Generation. Diese Arbeit wurde durch die US-Steuerzahler durch eine NIH, Büro des Direktors, gemeinsamen Fonds finanziert Transformative R01-Forschungspreis (Grant #1R01NS081710-01) und der Defense Advanced Research Projects Agency (Vertragsnummer N66001-15-C-4015 unter der Schirmherrschaft des Biologie Technology Office Programm-Manager D. Weber).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Charakterisierung des Sinnes der Agentur über die Aktionen der Neural-Maschine-Schnittstelle betrieben Prothesen
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Schofield, J. S., Shell, C. E.,… More

Schofield, J. S., Shell, C. E., Thumser, Z. C., Beckler, D. T., Nataraj, R., Marasco, P. D. Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses. J. Vis. Exp. (143), e58702, doi:10.3791/58702 (2019).

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