帮助ALS患者交流的可穿戴传感器
患有肌萎缩性侧索硬化症(ALS)的人控制肌肉的能力逐渐下降。因此，他们经常失去说话的能力，使其难以与他人沟通。
麻省理工学院的一组研究人员现在设计了一种可拉伸的、像皮肤一样的皮肤设备它可以附着在病人的脸上，可以测量像抽动或微笑这样的小动作。使用这种方法，病人可以通过设备测量和解释的小动作来传达各种情绪，比如“我爱你”或“我饿了”。
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，而不必处理笨重的设备。的可穿戴式传感器是瘦，可以伪装与任何化妆肤色这样显得不那么突兀。
“我们的设备不仅具有延展性、柔软性、一次性性和轻便性，而且在视觉上是隐形的，”该研究团队的负责人、麻省理工学院媒体艺术与科学LG电子职业发展助理教授Canan Dagdeviren说。“你可以把它伪装起来，没有人会认为你的皮肤上有东西。”
研究人员在两名渐冻症患者(一男一女，为了性别平衡)身上测试了他们最初版本的设备，结果显示该设备可以准确地区分三种不同的面部表情——微笑、张嘴和噘嘴。
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生物医学工程．麻省理工学院的其他作者有本科生Rachel McIntosh，博士后Dana Solav和研究科学家Lin Zhang。本文作者是新加坡A*STAR微电子研究所的顾源东，布法罗大学的Nikta Amiri、Mostafa Tavakkoli Anbarani和M. Amin Karami。
类似皮肤的传感器
Dagdeviren的实验室，适形解码器小组，专门开发适形(柔性和可拉伸的)电子设备，可以附着在身体上，用于各种医疗应用。2016年，当世界著名物理学家斯蒂芬·霍金访问哈佛大学时，达达维伦开始对研究帮助神经肌肉障碍患者交流的方法感兴趣。当时，达达维伦是哈佛大学研究员协会的一名初级研究员。
霍金于2018年去世，他患有进展缓慢的渐冻症。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面颊的抽搐，从而使光标在行和列的字母之间移动。虽然有效，但这一过程可能很耗时，而且需要笨重的设备。
其他肌萎缩侧索硬化症患者使用类似的设备来测量控制面部肌肉的神经电活动。然而，这种方法也需要笨重的设备，而且并不总是准确的。
“这些设备非常坚硬、平面、四四方方的，可靠性是一个大问题。你可能不会得到一致的结果，即使是在同一天从相同的病人身上，”Dagdeviren说。
大多数肌萎缩性侧索硬化症患者最终也会失去控制四肢的能力，因此打字并不是帮助他们沟通的可行策略。麻省理工学院的研究团队开始设计一种可穿戴的界面，病人可以用一种更自然的方式进行交流，而不需要现有技术所需要的笨重设备。
他们发明的装置由四个压电传感器嵌入在一层薄薄的硅胶薄膜中组成。这种传感器由氮化铝制成，可以检测皮肤的机械变形，并将其转换为容易测量的电压。所有这些组件都很容易批量生产，因此研究人员估计每个设备的成本约为10美元。
研究人员对健康志愿者使用了一种称为数字成像相关的过程，以帮助他们选择最有用的位置来放置传感器。他们在受试者的脸上画上随机的黑白斑点图案，然后用多台相机对该区域进行拍摄，同时受试者进行面部动作，如微笑、抽动脸颊或用嘴做特定字母的形状。软件对图像进行处理，分析这些小点是如何相互关联移动的，以确定单个区域所经历的应变量。
麦金托什说:“我们让受试者做不同的动作，我们创建了面部每个部分的应变图。”“然后我们查看了我们的应变图，并确定我们在脸上的什么地方看到了适合我们的设备的应变水平，并确定这是放置设备进行试验的合适位置。”
研究人员还利用皮肤变形的测量来训练一个机器学习算法，以区分微笑、张嘴和噘嘴。使用这种算法，他们在两名渐冻人症患者身上测试了这种设备，在区分这些不同动作方面达到了大约75%的准确率。健康受试者的准确率为87%。
增强沟通
研究人员说，基于这些可检测到的面部动作，可以创建一个短语或单词库，以对应不同的动作组合。
Dagdeviren说:“我们可以根据你的动作创建定制化的信息。”“你可以从技术上创建数千条信息，这是目前其他技术无法做到的。这完全取决于你的文库配置，可以为特定的患者或患者群体设计。”
来自传感器的信息被发送到手持处理单元，该处理单元使用研究人员训练的区分面部动作的算法进行分析。研究人员说，在目前的原型中，这个单元是与传感器连接的，但为了更容易使用，这种连接也可以做成无线连接。
研究人员已经为这项技术申请了专利，他们现在计划在更多的患者身上进行测试。研究人员说，除了帮助患者沟通，该设备还可以用于跟踪患者疾病的进展，或衡量他们所接受的治疗是否有任何效果。
塔斯尼姆说:“有很多临床试验都在测试一种特定的治疗方法是否对逆转ALS有效。”“这种设备不只是依赖患者报告他们感觉更好或更强壮，它可以提供一种量化的方法来跟踪疗效。”
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