可穿戴傳感器幫助漸凍人患者交流

患有肌萎縮性側(cè)索硬化癥 （ALS） 的人，他們控制肌肉的能力會逐漸下降。因此，他們會失去說話的能力，很難與他人交流。 現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個研究小組設(shè)計了一種可伸縮的、類似皮膚的裝置，它可以貼在病人的臉上，并可以測量諸如肌肉微顫或微笑這樣的小動作。

使用這種方法，患者可以通過儀器測量傳達各種各樣的情緒。 研究人員希望他們的新設(shè)備能讓患者以一種更自然的方式交流，而不需要借助笨重的設(shè)備。這款可穿戴傳感器很薄，能與任何膚色相匹配，然后用化妝品就能輕易遮蓋起來，別人很難注意到。 研究團隊的負責(zé)人 Canan Dagdeviren 說：“我們的設(shè)備柔軟而且有延展性、輕便而且易拆卸。另外，不注意觀察幾乎不會有人發(fā)現(xiàn)它的存在?！?/p>

麻省理工學(xué)院研究生 Farita Tasnim 和前研究科學(xué)家孫濤是這項研究的主要作者，該研究發(fā)表在《自然 - 生物醫(yī)學(xué)工程》上。 研究人員在兩名肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者 （一名女性和一名男性） 身上測試了他們設(shè)備的初始版本，結(jié)果顯示該設(shè)備能夠準確地區(qū)分三種不同的面部表情 —— 微笑、張嘴和噘嘴。 類似皮膚的傳感器 Dagdeviren 的實驗室專門開發(fā)可貼合于人體的電子設(shè)備（柔性、可拉伸），用于各種醫(yī)療應(yīng)用。在 2016 年與斯蒂芬?霍金會面后，她開始對幫助神經(jīng)肌肉疾病患者交流的方法產(chǎn)生興趣。當時霍金訪問哈佛大學(xué)，而 Dagdeviren 還是哈佛大學(xué)研究員協(xié)會的一名年輕成員。

霍金因患有肌萎縮性側(cè)索硬化癥，于 2018 年去世。他能夠通過一個紅外傳感器進行交流，該傳感器可以檢測到他臉頰的抽動，從而使光標在字母的行和列之間移動。雖然有效，但這一過程很耗時并需要大量設(shè)備。 也有肌萎縮性側(cè)索硬化癥患者使用其他類似的設(shè)備來測量控制面部肌肉的神經(jīng)元的電活動。然而，這種方法也需要笨重的設(shè)備，而且并不總是準確的。 “這些設(shè)備四四方方，非常堅硬，而且可靠性也是一個大問題。

可能在同一天內(nèi)從同一位病人身上都無法得到一致的結(jié)果?！盌agdeviren 說。 大多數(shù)肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者最終也會失去控制四肢的能力，所以打字交流并不可行。于是麻省理工學(xué)院的研究小組開始著手設(shè)計一種可穿戴的小型設(shè)備，患者可以使用它以一種更自然的方式進行交流，而不需要目前技術(shù)所要求的笨重設(shè)備。 該裝置由嵌入在一層薄薄的硅樹脂薄膜中的四個壓電傳感器組成。這些傳感器由氮化鋁制成，可以檢測皮膚的機械變形，并將其轉(zhuǎn)換為易于測量的電壓。所有這些組件都很容易批量生產(chǎn)，研究人員估計每臺設(shè)備的成本約為 10 美元。

臺攝像機拍下大量該區(qū)域的圖像，這些動作包括微笑、抽動臉頰或模仿某些字母的形狀。這些圖像由軟件處理，分析黑白點是如何相對移動的，然后確定單個區(qū)域的應(yīng)變量。 研究人員 McIntosh 說：“我們讓受試者做不同的動作，然后創(chuàng)建臉部每個部分的應(yīng)變圖。通過查看應(yīng)變圖確定合適的地方放置傳感器?！?研究人員還利用皮膚變形的測量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法，并用來區(qū)分微笑、張嘴和噘嘴動作。

利用這種算法，他們在兩位漸縮肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者身上測試了這種設(shè)備，在區(qū)分這些不同的動作方面，準確率達到了 75% 左右。在健康受試者中，準確率為 87%。 東京大學(xué)工程學(xué)院院長、電子工程和信息系統(tǒng)教授 Takao Someya 說：“對面部運動的持續(xù)監(jiān)控在神經(jīng)肌肉疾病患者的非語言交流中扮演著關(guān)鍵角色。目前，主流的方法是相機跟蹤，這對持續(xù)、便攜的使用提出了挑戰(zhàn)，麻省理工的研究人員已經(jīng)成功開發(fā)了輕薄、可穿戴的壓電傳感器，可以可靠地解決面部張力和預(yù)測面部運動學(xué)等問題。”

增強患者溝通 基于這些可檢測到的面部運動，可以創(chuàng)建短語庫或單詞庫來對應(yīng)不同的運動組合。 Dagdeviren 說：“我們可以根據(jù)患者的動作創(chuàng)建可定制的信息。從技術(shù)上講，患者可以創(chuàng)建成千上萬條信息，而目前沒有其他技術(shù)可以做到這一點。這完全取決于患者的庫配置，它可以為患者做特定的設(shè)計?！?來自傳感器的信息被發(fā)送到手持處理單元，處理單元通過訓(xùn)練來區(qū)分面部運動的算法并對這些信息進行分析。研究人員說，在目前的原型中，處理單元是與傳感器相連的，但未來也可以通過無線方式實現(xiàn)連接，便于使用。

研究人員已經(jīng)為這項技術(shù)申請了專利，他們現(xiàn)在計劃在其他病人身上進行測試。研究人員說，除了幫助病人交流，該設(shè)備還可以用來追蹤病人的病情進展，或者衡量他們接受的治療是否有效果。 Tasnim 說：“有很多臨床試驗正在測試一種特殊的治療方法是否對逆轉(zhuǎn) ALS 有效。這種設(shè)備可以提供定量測量來跟蹤效果，而不是僅僅依靠患者報告他們感覺是否更好或更強壯?！?這項研究由麻省理工學(xué)院媒體實驗室聯(lián)盟、美國國家科學(xué)基金會和美國國家生物醫(yī)學(xué)成像與生物工程研究所資助。

原文標題：麻省理工學(xué)院最新研究，可穿戴傳感器幫助漸凍人患者交流

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