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麻省理工学院最新研讨,可穿戴传感器协助渐冻人患者沟通

患有肌萎缩性侧索硬化症 (ALS) 的人,他们操控肌肉的才能会逐步下降。因而,他们会失掉说话的才能,很难与他人沟通。

现在,麻省理工学院的一个研讨小组规划了一种可弹性的、相似皮肤的设备,它能够贴在患者的脸上,并能够丈量比如肌肉微颤或浅笑这样的小动作。运用这种办法,患者能够经过仪器丈量传达各式各样的心情。

研讨人员期望他们的新设备能让患者以一种更天然的办法沟通,而不需求凭借粗笨的设备。这款可穿戴传感器很薄,能与任何肤色相匹配,然后用化妆品就能简单遮盖起来,他人很难注意到。

研讨团队的负责人 Canan Dagdeviren 说:“咱们的设备柔软并且有延展性、简便并且易拆开。别的,不注意调查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。

麻省理工学院研讨生 Farita Tasnim 和前研讨科学家孙涛是这项研讨的首要作者,该研讨宣布在《天然 - 生物医学工程》上。

研讨人员在两名肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者 (一名女人和一名男性) 身上测验了他们设备的初始版别,成果显现该设备能够精确地区别三种不同的面部表情 —— 浅笑、张嘴和噘嘴。

相似皮肤的传感器

Dagdeviren 的实验室专门开发可贴合于人体的电子设备,用于各种医疗运用。在 2016 年与斯蒂芬?霍金会晤后,她开端对协助神经肌肉疾病患者沟通的办法发生爱好。其时霍金拜访哈佛大学,而 Dagdeviren 仍是哈佛大学研讨员协会的一名年青成员。

霍金因患有肌萎缩性侧索硬化症,于 2018 年逝世。他能够经过一个红外传感器进行沟通,该传感器能够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。尽管有用,但这一进程很耗时并需求许多设备。

也有肌萎缩性侧索硬化症患者运用其他相似的设备来丈量操控面部肌肉的神经元的电活动。但是,这种办法也需求粗笨的设备,并且并不总是精确的。

“这些设备四四方方,十分坚固,并且可靠性也是一个大问题。可能在同一天内从同一位患者身上都无法得到共同的成果。”Dagdeviren 说。

大多数肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者终究也会失掉操控四肢的才能,所以打字沟通并不可行。所以麻省理工学院的研讨小组开端着手规划一种可穿戴的小型设备,患者能够运用它以一种更天然的办法进行沟通,而不需求现在技能所要求的粗笨设备。

该设备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,能够检测皮肤的机械变形,并将其转换为易于丈量的电压。一切这些组件都很简单批量生产,研讨人员估量每台设备的本钱约为 10 美元。

图 | 传感器设备中的一切组件都很简单批量生产,研讨人员估量每台设备的本钱约为 10 美元。

研讨人员在志愿者身上运用了一种叫做数字成像相关性的办法,协助他们挑选传感器最有用的方位。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许多该区域的图画,这些动作包含浅笑、抽动脸颊或仿照某些字母的形状。这些图画由软件处理,剖析黑白点是怎么相对移动的,然后确认单个区域的应变量。

研讨人员 McIntosh 说:“咱们让受试者做不同的动作,然后创立脸部每个部分的应变图。经过检查应变图确认适宜的当地放置传感器。”

研讨人员还运用皮肤变形的丈量数据来练习机器学习算法,并用来区别浅笑、张嘴和噘嘴动作。运用这种算法,他们在两位渐缩肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者身上测验了这种设备,在区别这些不同的动作方面,精确率达到了 75% 左右。在健康受试者中,精确率为 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:“对面部运动的继续监控在神经肌肉疾病患者的非言语沟通中扮演着要害人物。现在,干流的办法是相机盯梢,这对继续、便携的运用提出了应战,麻省理工的研讨人员现已成功开发了轻浮、可穿戴的压电传感器,能够可靠地处理面部张力和猜测面部运动学等问题。”

增强患者沟通

依据这些可检测到的面部运动,能够创立短语库或单词库来对应不同的运动组合。

Dagdeviren 说:“咱们能够依据患者的动作创立可定制的信息。从技能上讲,患者能够创立不计其数条信息,而现在没有其他技能能够做到这一点。这彻底取决于患者的库装备,它能够为患者做特定的规划。”

来自传感器的信息被发送到手持处理单元,处理单元经过练习来区别面部运动的算法并对这些信息进行剖析。研讨人员说,在现在的原型中,处理单元是与传感器相连的,但未来也能够经过无线办法完成衔接,便于运用。

研讨人员现已为这项技能申请了专利,他们现在方案在其他患者身上进行测验。研讨人员说,除了协助患者沟通,该设备还能够用来追寻患者的病况发展,或许衡量他们承受的医治是否有用果。

Tasnim 说:“有许多临床试验正在测验一种特别的医治办法是否对反转 ALS 有用。这种设备能够供给定量丈量来盯梢作用,而不是只是依托患者陈述他们感觉是否更好或更健壮。”

这项研讨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讨所赞助。

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