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,。

　　研究團隊的負責(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 的實驗室專門開發(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行交流,，該傳感器可以檢測到他臉頰的抽動,，從而使光標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畫上黑白點,，然后在受試者進行面部動作時用多臺攝像機拍下大量該區(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,，準確率達到了 75% 左右,。在健康受試者中，準確率為 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)測面部運動學(xué)等問題。”

　　增強患者溝通

　　基于這些可檢測到的面部運動,，可以創(chuàng)建短語庫或單詞庫來對應(yīng)不同的運動組合,。

　　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。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)分面部運動的算法并對這些信息進行分析,。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現(xiàn)連接,，便于使用。

　　Tasnim 說:“有很多臨床試驗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壯。”

　　這項研究由麻省理工學(xué)院媒體實驗室聯(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,。