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麻省理工學(xué)院研究,可穿戴傳感器幫助漸凍人患者交流

時間:2020/11/27閱讀:1052
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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(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有人發(fā)現(xiàn)它的存在。”

  

  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(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(dāng)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 年離去。他能夠通過一個紅外傳感器進(jìn)行交流,該傳感器可以檢測到他臉頰的抽動,從而使光標(biāo)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(zhǔn)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??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(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(jī)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。

  

  圖 | 傳感器設(shè)備中的所有組件都很容易批量生產(chǎn),研究人員估計每臺設(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合適的位置。他們在受試者的臉上隨機(jī)畫上黑白點(diǎn),然后在受試者進(jìn)行面部動作時用多臺攝像機(jī)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(diǎn)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(jī)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(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、電子工程和信息系統(tǒng)教授 Takao Someya 說:“對面部運(yùn)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(jī)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(yùn)動學(xué)等問題。”

  增強(qiáng)患者溝通

  基于這些可檢測到的面部運(yùn)動,可以創(chuàng)建短語庫或單詞庫來對應(yīng)不同的運(yùn)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(diǎn)。這*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(yùn)動的算法并對這些信息進(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。

  Tasnim 說:“有很多臨床試驗(yàn)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(qiáng)壯。”

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

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