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(cè)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)失去說話的能力，很難與他人交流。

　　現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組設(shè)計(jì)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(cè)量諸如肌肉微顫或微笑這樣的小動(dòng)作。使用這種方法，患者可以通過儀器測(cè)量傳達(dá)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(tuán)隊(duì)的負(fù)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(huì)有人發(fā)現(xiàn)它的存在?！?/p>

　　圖 | 貼在志愿者臉上的小型設(shè)備。（來源：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(xiàng)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(cè)試了他們?cè)O(shè)備的初始版本，結(jié)果顯示該設(shè)備能夠準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(huì)面后，她開始對(duì)幫助神經(jīng)肌肉疾病患者交流的方法產(chǎn)生興趣。當(dāng)時(shí)霍金訪問哈佛大學(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(cè)索硬化癥，于 2018 年去世。他能夠通過一個(gè)紅外傳感器進(jìn)行交流，該傳感器可以檢測(cè)到他臉頰的抽動(dòng)，從而使光標(biāo)在字母的行和列之間移動(dòng)。雖然有效，但這一過程很耗時(shí)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(cè)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(shè)備，而且并不總是準(zhǔn)確的。

　　“這些設(shè)備四四方方，非常堅(jiān)硬，而且可靠性也是一個(gè)大問題?？赡茉谕惶靸?nèi)從同一位病人身上都無法得到一致的結(jié)果。”Dagdeviren 說。

　　大多數(shù)肌萎縮性脊髓側(cè)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)院的研究小組開始著手設(shè)計(jì)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(jìn)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(gè)壓電傳感器組成。這些傳感器由氮化鋁制成，可以檢測(cè)皮膚的機(jī)械變形，并將其轉(zhuǎn)換為易于測(cè)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(jì)每臺(tái)設(shè)備的成本約為 10 美元。

　　圖 | 傳感器設(shè)備中的所有組件都很容易批量生產(chǎn)，研究人員估計(jì)每臺(tái)設(shè)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(shù)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?cè)谑茉囌叩哪樕想S機(jī)畫上黑白點(diǎn)，然后在受試者進(jìn)行面部動(dòng)作時(shí)用多臺(tái)攝像機(jī)拍下大量該區(qū)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(duì)移動(dòng)的，然后確定單個(gè)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(dòng)作，然后創(chuàng)建臉部每個(gè)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(cè)量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并用來區(qū)分微笑、張嘴和噘嘴動(dòng)作。利用這種算法，他們?cè)趦晌粷u縮肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者身上測(cè)試了這種設(shè)備，在區(qū)分這些不同的動(dòng)作方面，準(zhǔn)確率達(dá)到了 75% 左右。在健康受試者中，準(zhǔn)確率為 87%。

　　東京大學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)、電子工程和信息系統(tǒng)教授 Takao Someya 說：“對(duì)面部運(yùn)動(dòng)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(jī)跟蹤，這對(duì)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(cè)面部運(yùn)動(dòng)學(xué)等問題。”

　　增強(qiáng)患者溝通

　　基于這些可檢測(cè)到的面部運(yùn)動(dòng)，可以創(chuàng)建短語庫或單詞庫來對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)組合。

　　Dagdeviren 說:“我們可以根據(jù)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)建成千上萬條信息，而目前沒有其他技術(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(shè)計(jì)?！?/p>

　　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(yùn)動(dòng)的算法并對(duì)這些信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)連接，便于使用。

　　研究人員已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了專利，他們現(xiàn)在計(jì)劃在其他病人身上進(jìn)行測(cè)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(jìn)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(yàn)正在測(cè)試一種特殊的治療方法是否對(duì)逆轉(zhuǎn) ALS 有效。這種設(shè)備可以提供定量測(cè)量來跟蹤效果，而不是僅僅依靠患者報(bào)告他們感覺是否更好或更強(qiáng)壯。”

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