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

患有肌萎縮性側索硬化癥 (ALS) 的人，他們控制肌肉的能力會(huì )逐漸下降。因此，他們會(huì )失去說(shuō)話(huà)的能力，很難與他人交流。

　　現在，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組設計了一種可伸縮的、類(lèi)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(dòng)作。使用這種方法，患者可以通過(guò)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(lái)，別人很難注意到。

　　研究團隊的負責人 Canan Dagdeviren 說(shuō)：“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(guān)察幾乎不會(huì )有人發(fā)現它的存在?！?/p>

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

　　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 - 生物醫學(xué)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(lèi)似皮膚的傳感器

　　Dagdeviren 的實(shí)驗室專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)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(huì )面后，她開(kāi)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(shí)霍金訪(fǎng)問(wèn)哈佛大學(xué)，而 Dagdeviren 還是哈佛大學(xué)研究員協(xié)會(huì )的一名年輕成員。

　　霍金因患有肌萎縮性側索硬化癥，于 2018 年去世。他能夠通過(guò)一個(gè)紅外傳感器進(jìn)行交流，該傳感器可以檢測到他臉頰的抽動(dòng)，從而使光標在字母的行和列之間移動(dòng)。雖然有效，但這一過(guò)程很耗時(shí)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(lèi)似的設備來(lái)測量控制面部肌肉的神經(jīng)元的電活動(dòng)。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(gè)大問(wèn)題?？赡茉谕惶靸葟耐晃徊∪松砩隙紵o(wú)法得到一致的結果?！盌agdeviren 說(shuō)。

　　大多數肌萎縮性脊髓側索硬化癥患者最終也會(huì )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(kāi)始著(zhù)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(jìn)行交流，而不需要目前技術(shù)所要求的笨重設備。

　　該裝置由嵌入在一層薄薄的硅樹(shù)脂薄膜中的四個(gè)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(chǎn)，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(chǎn)，研究人員估計每臺設備的成本約為 10 美元。（來(lái)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(guān)性的方法，幫助他們選擇傳感器最有用的位置。他們在受試者的臉上隨機畫(huà)上黑白點(diǎn)，然后在受試者進(jìn)行面部動(dòng)作時(shí)用多臺攝像機拍下大量該區域的圖像，這些動(dòng)作包括微笑、抽動(dòng)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(diǎn)是如何相對移動(dòng)的，然后確定單個(gè)區域的應變量。

　　研究人員 McIntosh 說(shuō):“我們讓受試者做不同的動(dòng)作，然后創(chuàng )建臉部每個(gè)部分的應變圖。通過(guò)查看應變圖確定合適的地方放置傳感器?！?/p>

　　研究人員還利用皮膚變形的測量數據來(lái)訓練機器學(xué)習算法，并用來(lái)區分微笑、張嘴和噘嘴動(dòng)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(dòng)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(cháng)、電子工程和信息系統教授 Takao Someya 說(shuō)：“對面部運動(dòng)的持續監控在神經(jīng)肌肉疾病患者的非語(yǔ)言交流中扮演著(zhù)關(guān)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(jīng)成功開(kāi)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測面部運動(dòng)學(xué)等問(wèn)題?！?/p>

　　增強患者溝通

　　基于這些可檢測到的面部運動(dòng)，可以創(chuàng )建短語(yǔ)庫或單詞庫來(lái)對應不同的運動(dòng)組合。

　　Dagdeviren 說(shuō):“我們可以根據患者的動(dòng)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(wàn)條信息，而目前沒(méi)有其他技術(shù)可以做到這一點(diǎn)。這完全取決于患者的庫配置，它可以為患者做特定的設計?！?/p>

　　來(lái)自傳感器的信息被發(fā)送到手持處理單元，處理單元通過(guò)訓練來(lái)區分面部運動(dòng)的算法并對這些信息進(jìn)行分析。研究人員說(shuō)，在目前的原型中，處理單元是與傳感器相連的，但未來(lái)也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現連接，便于使用。

　　研究人員已經(jīng)為這項技術(shù)申請了專(zhuān)利，他們現在計劃在其他病人身上進(jìn)行測試。研究人員說(shuō)，除了幫助病人交流，該設備還可以用來(lái)追蹤病人的病情進(jìn)展，或者衡量他們接受的治療是否有效果。

　　Tasnim 說(shuō):“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(lái)跟蹤效果，而不是僅僅依靠患者報告他們感覺(jué)是否更好或更強壯?！?/p>

　　這項研究由麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗室聯(lián)盟、美國國家科學(xué)基金會(huì )和美國國家生物醫學(xué)成像與生物工程研究所資助。