Summary

对2D平面本体感受漂移的支持向量机可视化方法

Published: October 27, 2016
doi:

Summary

本文介绍估计使用镜子幻想,用机器学习的分析相结合的一个心理过程的2D平面本体漂移的新方法。

Abstract

Proprioceptive drift, which is a perceptual shift in body-part position from the unseen real body to a visible body-like image, has been measured as the behavioral correlate for the sense of ownership. Previously, the estimation of proprioceptive drift was limited to one spatial dimension, such as height, width, or depth. As the hand can move freely in 3D, measuring proprioceptive drift in only one dimension is not sufficient for the estimation of the drift in real life situations. In this article, we provide a novel method to estimate proprioceptive drift on a 2D plane using the mirror illusion by combining an objective behavioral measurement (hand position tracking) and subjective, phenomenological assessment (subjective assessment of hand position and questionnaire) with a sophisticated machine learning approach. This technique permits not only an investigation of the underlying mechanisms of the sense of ownership and agency but also assists in the rehabilitation of a missing or paralyzed limb and in the design rules of real-time control systems with a self-body-like usability, in which the operator controls the system as if it were part of his/her own body.

Introduction

近年来,关于有义或自体,即,自己的身体的经验研究,已在实施例的上下文增加。实施例涉及的想法或具有物理或虚拟体可以与环境交互,例如达到,抓,而感人的概念。例如,人类可以通过移动自己的身体,在这种情况下,自己的手臂和手触摸定位环境中的物体或另一个人。如今,这种相互作用或通信不限定于使用自己的自然的身体。由于发明和人样机器人或化身在虚拟世界的发展,自然人体可以通过人工体被取代,如人形,遥控机器人,电动假体,或电脑图形化身在虚拟现实。例如,研究人员开发出一种机器人,其操作者可以“抓住”对象通过其机械体放置在机器人前面,即使ROBOt被从操作者的身体位置1,2-置于远。类似于本实施例,如果一个人的可通过人工体执行动作,该机构将保持在操作者的自体的归属?

我们可以很容易地找到相关的从我们自己的身体自然的“自我”的归属或投影这次讨论的人工,非肉和骨的身体话题。一个例子可以在医疗领域中找到例如,在医学康复领域,正在探讨以减少疼痛,改善缺失或瘫痪肢体的运动功能即“特技”使用反射镜病人的自体感治疗,称为镜治疗3-6。在这种疗法中,未受影响的身体部位或肢体的镜象可以误导病人的大脑,以为丢失或瘫痪肢体对应于镜中显示的之一,并导致感觉,它仍然在它前任条件( 出事前)。它仍在讨论这种错觉如何影响相关的身体表示大脑的应变能力。除了对我们的身体自然这种类型的讨论中,我们可以发现在工程领域的实施方案类似的讨论,特别是人性化系统交互设计问题。自的用于人造或虚拟体感已在远程呈现,脑机接口,和脑机接口1,2,7-9的上下文中得到了很好的研究。一些研究人员报道,像人一样机器人,它可以从它的机械手转移触感到操作者的手,可以捕获操作者的自体到机器人感以及处于一个地点的意义,其中所述机器人被定位而不是哪里算实际存在,所谓的远程存在1。其他研究人员报告说,虚拟化身反映运营商的肢体动作强LY从操作者的自己的身体的自体的操作者的感觉传送到虚拟体9。这些结果表明用户如何投射自我体感到一种人造体,如人形,遥控机器人,电动假体,或电脑图形化身在虚拟现实中,即使在人造体不直接连接到其大脑和身体。

这种类型的自体感非肉和血的基础科学研究,人工体状物体检测潜在的脑机制自体的使用橡胶手错觉(RHI)10-13和镜像体验幻觉(MI)14-16在医学和工程领域以及在心理物理学和神经心理学。该RHI是一个橡胶手属于自己的身体,并通过同时抚摸可见橡胶手和参与者的手遮挡引起轰动。在MI,一只手IMAGE在沿正中矢状轴定位在镜子在视觉上捕捉参与者的感知看不见的另一只手的位置。此外,反射和看不见的手的动作同步唤起强烈轰动,仿佛反射手图像是看不见的另一只手。根据对这些幻想的研究,多峰信息和预测与约的肢体动作感官反馈之间的一致性似乎发挥自我体归属的判断中起重要作用。因此,这两种幻想可以简单但功能强大的证据和工具,为科学家研究大脑机制,我们感觉背后被欺骗或相信一些人为对象或图像可以主观地是我们自己身体的一部分,我们的自体感呢不必被捆绑到我们的自然的身体。

在上面列出的所有这些研究中,在讨论了基于“自我”consisti概念主人翁意识和机构的意义:由哲学家加拉格尔17提出两种感觉的NG。主人翁意识指的是观察到的身体部位是自己的感觉。机构的意义对应于身体运动是自我造成的感觉。这两个感觉被定义为最小的自我,即,自16立即感。所有权和机构的意义:根据这一概念,“自我”为天然的,受损的,虚拟的,和机械机构的归属可以通过相同的索引进行评估。为了使用这种感觉了科学评价,产生的问题是如何衡量的所有权和机构的意义强劲。目前,所有权和机构意义上的估计主要依赖问卷调查,最初是由Botvinick 9提议。除了问卷调查,我们可以尝试来衡量他们的定量方法。例如,皮肤CONductance反应(SCR)已被用作所有权的情况下,生理指标,其中橡胶手突然被刀子砍18。 SCR被通过测量皮肤的电特性计算为觉醒19的灵敏和有效指标。因为通常被应用于每位与会者单个试验该方法中,测量的SCR不适合作为在需要参与者内重复测量心理物理学实验物理索引。一个用于所有权的意义上最成功的行为指标是本体漂移。本体感受漂移是看不见实际的手的朝向的对象,看起来像一个手,如橡胶制成的假体或位置的感知位置的变化计算机图形10-13。因为这种变化可通过测量看不见真实手和手的视觉图像,本体漂移我之间的距离来重复,鲁棒估计对心理测量适合SA物理指标。然而,这种用法需要进行仔细评估,因为最近的讨论质疑本体漂移总是可以被用来作为拥有12的行为指标。

典型地,本体漂移仅在三个方向,例如高度,宽度或深度中的一个测量。本体漂移很少被在多个方向上测得的,由于估算和可视化多维数据的难度。此计量限制不是基础研究探索了处理多感官信息,因为实验条件可以很容易地设计和控制,以限制所测量的尺寸的机制的关键。然而,在日常生活中,我们的手自由地移动3D跟随我们的意图。在这种情况下,它是困难的,不充分的测量参与者的与问卷调查,这严重限制运动和POS行为手中itions。因此,考虑为所有权和机构在工程和康复,其包括多个方向并允许需要自由手部运动,以评估在日常生活中的情况的视觉和本体反馈之间的空间关系的测量感潜在的应用。如果这样的测量是可能的,真实的和观察到的手之间测量的距离可以利用作为自体的意义上的指导方针。这可能不仅成为康复的进展,但也为空间中的显示的操作目标和操作的手之间的偏移的基准的指标。现在的问题是,如何这测量能够可靠和有效的执行。

为了解决这个问题,我们引入了一种新的方法来估算本体漂移,这相当于从参与者的真正看不见的手的位置转移到一个有形之手般的邻bject,使用镜子幻想通过结合心理过程,并使用机器学习分析2D平面。相比,橡胶手,在镜子的手图像强烈捕获参与者的感知看不见实际的手的位置。此外,镜像图像立刻反映了手的位置自愿的手部动作。因此,镜像被选定为参与者手的视觉反馈。此外,衡量类似的日常生活情况本体漂移,参与者定位自己看不见的手试通过审判他们的意志,试验次数增加。尽管可能已使用方向的任何组合,高度和深度的组合被选择由于易于放置镜垂直的。要检查我们的方法和以前的研究13之间的一致性,两个可视条件下得到实施:与无视觉反馈。在视觉反馈,镜像W上的条件沿着矢状平面定位以创建左手的反射图像,就好像它被视为右手。在没有视觉反馈的情况下,磨砂黑板为了隐藏参与者的真正右手使用。我们通过比较结果对所有权和机构意义上的调查问卷获得的评估这种新方法的有效性。

Protocol

实验的所有方面由东京工业大学的伦理委员会批准。 1.实验装置材料和测量本体感觉漂移设置。 获得一个支架可垂直容纳100×100厘米板( 图1)。 获得其上,与会者可以在实验过程中舒适地坐在椅子上。 获取100×100厘米亚克力镜面和磨砂的黑板。 获得的位置跟踪器(例如,SLC-C02,Cyverse)来跟踪参与者的右手位置上。空间分辨率应为约1.5mm,以?…

Representative Results

从先前的研究的代表性结果呈现来说明方法16。 图3A示出了区域的形状,其中参与者无法检测的空间左右手位置之间的偏移的条件之间有分歧(镜面)和无(黑板)视觉。反馈图3B显示与可视化反馈的条件是面积尺寸比在没有视觉反馈情况显著较大(Wilcoxon符号秩和检验:Z = -2.803,p = 0.005)。这些结果表明,所要求的视觉和本体反馈之间的…

Discussion

我们展示了一个方法来使用SVM镜子幻想中估计本体漂移在2D平面上,并与所有权和机构的意识问卷答复的结果进行比较。这种新颖的方法揭示了所需的视觉和本体反馈之间的偏移量,以保持本体漂移约为10厘米,而该偏移紧密地与偏移必须维持所有权和机构的感觉重叠。

注意,此方法的最关键的步骤是3.2.5中所述,一个指令至约他们关注的参加者。在以前的试验研究16,</su…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by the Center of Innovation Program from the Japan Science and Technology Agency, JST.

Materials

Acric mirror
Matte blackboard
custom-made stand e.g. wood pole or PVC(poly vinyl chloride) pipe 
Chair
Foot pedal P.I. Engineering Classic X-keys USB, and PS/2 Foot Pedals Other response device can be avaliable.
Position sensor CyVerse SLC-C02 Other position sensor can be avaliable.
Custom-made retroreflectivemarker The marker provided by the motion capture vendor can be available.
Noise canselling head phone bose Quiet Comfort 3 Other head phone can be avaliable.
PC Mouse computer NG-N-i300GA Other PC can be available.

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Cite This Article
Tajima, D., Mizuno, T., Kume, Y., Yoshida, T. Visualization Method for Proprioceptive Drift on a 2D Plane Using Support Vector Machine. J. Vis. Exp. (116), e53970, doi:10.3791/53970 (2016).

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