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                  技術文章

                  麻省理工學院研究,可穿戴傳感器幫助漸凍人患者交流

                  患有肌萎縮性側索硬化癥 (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。

                    現在,麻省理工學院的一個研究小組設計了一種可伸縮的、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。

                    研究團隊的負責人 Canan Dagdeviren 說:“我們的設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現它的存在。”

                    

                    圖 | 貼在志愿者臉上的小型設備。(來源:David Sadat)

                    麻省理工學院研究生 Farita Tasnim 和前研究科學家孫濤是這項研究的主要作者,該研究發表在《自然 - 生物醫學工程》上。

                    研究人員在兩名肌萎縮性脊髓側索硬化癥患者 (一名女性和一名男性) 身上測試了他們設備的初始版本,結果顯示該設備能夠準確地區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 的實驗室專門開發可貼合于人體的電子設備(柔性、可拉伸),用于各種醫療應用。在 2016 年與斯蒂芬霍金會面后,她開始對幫助神經肌肉疾病患者交流的方法產生興趣。當時霍金訪問哈佛大學,而 Dagdeviren 還是哈佛大學研究員協會的一名年輕成員。

                    霍金因患有肌萎縮性側索硬化癥,于 2018 年離去。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備。

                    也有肌萎縮性側索硬化癥患者使用其他類似的設備來測量控制面部肌肉的神經元的電活動。然而,這種方法也需要笨重的設備,而且并不總是準確的。

                    “這些設備四四方方,非常堅硬,而且可靠性也是一個大問題??赡茉谕惶靸葟耐晃徊∪松砩隙紵o法得到一致的結果。”Dagdeviren 說。

                    大多數肌萎縮性脊髓側索硬化癥患者終也會失去控制四肢的能力,所以打字交流并不可行。于是麻省理工學院的研究小組開始著手設計一種可穿戴的小型設備,患者可以使用它以一種更自然的方式進行交流,而不需要目前技術所要求的笨重設備。

                    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,并將其轉換為易于測量的電壓。所有這些組件都很容易批量生產,研究人員估計每臺設備的成本約為 10 美元。

                    

                    圖 | 傳感器設備中的所有組件都很容易批量生產,研究人員估計每臺設備的成本約為 10 美元。(來源:David Sadat)

                    研究人員在志愿者身上使用了一種叫做數字成像相關性的方法,幫助他們選擇傳感器合適的位置。他們在受試者的臉上隨機畫上黑白點,然后在受試者進行面部動作時用多臺攝像機拍下大量該區域的圖像,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,然后確定單個區域的應變量。

                    研究人員 McIntosh 說:“我們讓受試者做不同的動作,然后創建臉部每個部分的應變圖。通過查看應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據來訓練機器學習算法,并用來區分微笑、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索硬化癥患者身上測試了這種設備,在區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%。

                    東京大學工程學院院長、電子工程和信息系統教授 Takao Someya 說:“對面部運動的持續監控在神經肌肉疾病患者的非語言交流中扮演著關鍵角色。目前,主流的方法是相機跟蹤,這對持續、便攜的使用提出了挑戰,麻省理工的研究人員已經成功開發了輕薄、可穿戴的壓電傳感器,可以可靠地解決面部張力和預測面部運動學等問題。”

                    增強患者溝通

                    基于這些可檢測到的面部運動,可以創建短語庫或單詞庫來對應不同的運動組合。

                    Dagdeviren 說:“我們可以根據患者的動作創建可定制的信息。從技術上講,患者可以創建成千上萬條信息,而目前沒有其他技術可以做到這一點。這完全取決于患者的庫配置,它可以為患者做特定的設計。”

                    來自傳感器的信息被發送到手持處理單元,處理單元通過訓練來區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連接,便于使用。

                    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 ALS 有效。這種設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院媒體實驗室聯盟、美國國家科學基金會和美國國家生物醫學成像與生物工程研究所資助。

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