麻省理工学院研究可穿戴传感器帮助渐冻人患者交流

现在，麻省理工学院的一个研究小组设计了一种可伸缩的、类似皮肤的装置，它可以贴在病人的脸上，并可以测量诸如肌肉微颤或微笑这样的小动作。使用这种方法，患者可以通过仪器测量传达各种各样的情绪。

研究人员希望他们的新设备能让患者以一种更自然的方式交流，而不需要借助笨重的设备。这款可穿戴传感器很薄，能与任何肤色相匹配，然后用化妆品就能轻易遮盖起来，别人很难注意到。

研究团队的负责人 Canan Dagdeviren 说：“我们的设备柔软而且有延展性、轻便而且易拆卸。另外，不注意观察几乎不会有人发现它的存在。”

图 | 贴在志愿者脸上的小型设备。(来源：David Sadat)

麻省理工学院研究生 Farita Tasnim 和前研究科学家孙涛是这项研究的主要作者，该研究发表在《自然 - 生物医学工程》上。

研究人员在两名肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者 (一名女性和一名男性) 身上测试了他们设备的初始版本，结果显示该设备能够准确地区分三种不同的面部表情 —— 微笑、张嘴和噘嘴。

类似皮肤的传感器Dagdeviren 的实验室专门开发可贴合于人体的电子设备(柔性、可拉伸)，用于各种医疗应用。在 2016 年与斯蒂芬霍金会面后，她开始对帮助神经肌肉疾病患者交流的方法产生兴趣。当时霍金访问哈佛大学，而 Dagdeviren 还是哈佛大学研究员协会的一名年轻成员。

霍金因患有肌萎缩性侧索硬化症，于 2018 年去世。他能够通过一个红外传感器进行交流，该传感器可以检测到他脸颊的抽动，从而使光标在字母的行和列之间移动。虽然有效，但这一过程很耗时并需要大量设备。

也有肌萎缩性侧索硬化症患者使用其他类似的设备来测量控制面部肌肉的神经元的电活动。然而，这种方法也需要笨重的设备，而且并不总是准确的。

“这些设备四四方方，非常坚硬，而且可靠性也是一个大问题。可能在同一天内从同一位病人身上都无法得到一致的结果。”Dagdeviren 说。

大多数肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者最终也会失去控制四肢的能力，所以打字交流并不可行。于是麻省理工学院的研究小组开始着手设计一种可穿戴的小型设备，患者可以使用它以一种更自然的方式进行交流，而不需要目前技术所要求的笨重设备。

该装置由嵌入在一层薄薄的硅树脂薄膜中的四个压电传感器组成。这些传感器由氮化铝制成，可以检测皮肤的机械变形，并将其转换为易于测量的电压。所有这些组件都很容易批量生产，研究人员估计每台设备的成本约为 10 美元。

图 | 传感器设备中的所有组件都很容易批量生产，研究人员估计每台设备的成本约为 10 美元。(来源：David Sadat)

研究人员在志愿者身上使用了一种叫做数字成像相关性的方法，帮助他们选择传感器最有用的位置。他们在受试者的脸上随机画上黑白点，然后在受试者进行面部动作时用多台摄像机拍下大量该区域的图像，这些动作包括微笑、抽动脸颊或模仿某些字母的形状。这些图像由软件处理，分析黑白点是如何相对移动的，然后确定单个区域的应变量。

研究人员 McIntosh 说:“我们让受试者做不同的动作，然后创建脸部每个部分的应变图。通过查看应变图确定合适的地方放置传感器。”

研究人员还利用皮肤变形的测量数据来训练机器学习算法，并用来区分微笑、张嘴和噘嘴动作。利用这种算法，他们在两位渐缩肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者身上测试了这种设备，在区分这些不同的动作方面，准确率达到了 75% 左右。在健康受试者中，准确率为 87%。

东京大学工程学院院长、电子工程和信息系统教授 Takao Someya 说：“对面部运动的持续监控在神经肌肉疾病患者的非语言交流中扮演着关键角色。目前，主流的方法是相机跟踪，这对持续、便携的使用提出了挑战，麻省理工的研究人员已经成功开发了轻薄、可穿戴的压电传感器，可以可靠地解决面部张力和预测面部运动学等问题。”

增强患者沟通

基于这些可检测到的面部运动，可以创建短语库或单词库来对应不同的运动组合。

Dagdeviren 说:“我们可以根据患者的动作创建可定制的信息。从技术上讲，患者可以创建成千上万条信息，而目前没有其他技术可以做到这一点。这完全取决于患者的库配置，它可以为患者做特定的设计。”

来自传感器的信息被发送到手持处理单元，处理单元通过训练来区分面部运动的算法并对这些信息进行分析。研究人员说，在目前的原型中，处理单元是与传感器相连的，但未来也可以通过无线方式实现连接，便于使用。

研究人员已经为这项技术申请了专利，他们现在计划在其他病人身上进行测试。研究人员说，除了帮助病人交流，该设备还可以用来追踪病人的病情进展，或者衡量他们接受的治疗是否有效果。

Tasnim 说:“有很多临床试验正在测试一种特殊的治疗方法是否对逆转 ALS 有效。这种设备可以提供定量测量来跟踪效果，而不是仅仅依靠患者报告他们感觉是否更好或更强壮。”

这项研究由麻省理工学院媒体实验室联盟、美国国家科学基金会和美国国家生物医学成像与生物工程研究所资助。