Nat Biomed Eng：面部可穿戴传感器帮助肌萎缩侧索硬化（ALS）患者交流
2020-10-25 liangying MedSci原创
研究人员已经设计了一种类似皮肤的装置，它可以附着在脸上，测量像抽搐或微笑这样的小动作。通过这种方法，肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)患者可以通过小的动作交流各种情绪，这些小动作可以由该设备测量和解释
患有肌萎缩性侧索硬化症(ALS)的人，他们控制肌肉的能力会逐渐下降。因此，他们经常失去说话的能力，很难与他人交流。
麻省理工学院的一个研究小组现在设计了一种可伸缩的、类似皮肤的装置，它可以附着在病人的脸上，并可以测量诸如抽搐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和解读各种各样的情绪，比如“我爱你”或者“我饿了”。该研究发表在了Nature Biomedical Engineering上。
研究人员希望他们的新设备能让病人以一种更自然的方式交流，而不需要处理笨重的设备。这款可穿戴传感器很薄，可以用化妆品伪装起来，与任何肤色相匹配，使它不引人注目。
“我们的设备不仅有延展性、柔软性、一次性和轻便性，而且在视觉上是看不见的，”麻省理工学院媒体艺术和科学的LG电子职业发展助理教授、该研究团队的负责人Canan Dagdeviren说。“你可以伪装它，没有人会认为你的皮肤上有东西。
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，性别平衡)身上测试了他们最初版本的设备，结果显示它可以准确地区分三种不同的面部表情——微笑、张开的嘴和噘嘴。
面部编码外推传感器（cFaCES）的系统概述
面部变形过程中设备行为的建模
由于压电元件将机械能转化为电能，因此在3D-DIC试验中观察到的实验电压可以用来预测贴敷在皮肤上的传感器顶部表面变形的DIC测量值所预期的应变。根据皮肤张力生成的等高线地图，而无需在皮肤上叠加cFaCES，这有助于指导将cFaCES放置到面部皮肤上，这样四个传感元件观察到的应变对于不同的运动是暂时不同的。叠加峰值应变观察到的类似运动的等高线图，可以对传感器的位置进行定性选择。橙色方块表示四个传感元件的潜在位置，这将导致在每个元件上不同的应变观察。
预测和验证cFaCES体内性能的3D-DIC和理论模型
我们知道，霍金因患有进展缓慢的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，通过移动光标横过一排排字母。虽然有效，但这一过程可能耗时并需要大量设备。
可整合解码组是Dagdeviren的实验室，专门开发可附着在人体上的各种医疗应用的可整合(柔性和可拉伸)电子设备。在2016年见到史蒂芬·霍金之后，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。
而他们制造的这个由四个压电传感器组成的装置，所有这些组件都很容易批量生产，因此研究人员估计每台设备的成本约为10美元。
“我们让受试者做不同的动作，然后我们创建了脸部每个部分的应变图。”“然后我们查看我们的应变图，确定在我们的设备脸上看到的正确应变水平，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机器学习算法来区分微笑、张大嘴巴和噘嘴。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%。
基于这些可检测到的面部运动，可以创建一个短语或单词库来对应不同的运动组合。Dagdeviren说:“我们可以根据你的动作创建可定制的信息。从技术上讲，你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。这完全取决于您的库配置，它可以为特定的患者或患者组设计。”
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。
参考文献：Sun, T., Tasnim, F., McIntosh, R.T. et al. Decoding of facial strains via conformable piezoelectric interfaces. Nat Biomed Eng, 2020 DOI: 10.1038/s41551-020-00612-w
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