肌萎缩性侧索硬化症（ALS）患者控制肌肉的能力逐渐下降。因此，他们经常失去说话的能力，使得他们很难与他人交流。10月22日消息，麻省理工学院的一个研究小组现在设计了一种可拉伸的、类似皮肤的装置，可以附着在病人的脸上，并能测量小动作，如抽搐或微笑。利用这种方法，患者可以用小动作传达各种情感，比如 "我爱你 "或 "我饿了"，这些小动作都可以被设备测量和解释。

研究人员希望他们的新设备能让患者以更自然的方式进行交流，而不必面对笨重的设备。可穿戴式传感器很薄，可以用化妆品伪装，以配合任何肤色，使其不显眼。

"我们的设备不仅可塑性强、柔软、一次性、轻巧，而且在视觉上也是不可见的，"麻省理工学院媒体艺术与科学系LG电子职业发展助理教授、研究团队的负责人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ALS患者(一名女性和一名男性，为了性别平衡)身上测试了他们设备的初始版本，结果显示，它可以准确区分三种不同的面部表情--微笑、张嘴和抿嘴。

麻省理工学院研究生Farita Tasnim和前研究科学家Tao Sun是这项研究的主要作者，该研究今天发表在Nature Biomedical Engineering上。麻省理工学院的其他作者是本科生Rachel McIntosh、博士后Dana Solav、研究科学家Lin Zhang和高级实验室经理David Sadat。新加坡A*STAR微电子研究所的Yuandong Gu和布法罗大学的Nikta Amiri、Mostafa Tavakkoli Anbarani和M. Amin Karami也是作者。

    一种类似皮肤的传感器  

Dagdeviren的实验室Conformable Decoders小组，专门开发可贴身的电子设备（柔性和可拉伸），用于各种医疗应用。2016年，世界著名物理学家霍金访问哈佛大学，而Dagdeviren是哈佛大学研究员协会的初级研究员，在认识了霍金之后，她对研究如何帮助神经肌肉疾病患者交流产生了兴趣。

霍金于2018年去世，他患有缓慢发展的ALS。他能够使用一个红外传感器进行交流，该传感器可以检测到他的脸颊的抽搐，这可以在字母的行和列中移动光标。虽然有效，但这个过程可能很耗时，而且需要笨重的设备。

其他ALS患者使用类似的设备，测量控制面部肌肉的神经的电活动。然而，这种方法也需要笨重的设备，而且它并不总是准确的。

"这些设备非常坚硬、平面、盒状，可靠性是个大问题。你可能得不到一致的结果，即使是同一天内的同一患者，"Dagdeviren说。

大多数ALS患者最终也失去了控制四肢的能力，所以打字并不是帮助他们交流的可行策略。麻省理工学院的团队开始设计一种可穿戴的界面，让患者可以用更自然的方式进行交流，而不需要现有技术所要求的笨重设备。

他们创造的设备由四个压电传感器组成，嵌入在一层薄薄的硅胶膜中。这些由氮化铝制成的传感器可以检测到皮肤的机械变形，并将其转化为易于测量的电电压。所有这些组件都很容易大规模生产，因此研究人员估计，每个设备的成本约为10美元。

研究人员在健康志愿者身上使用了一种名为数字成像关联的过程，以帮助他们选择最有用的位置来放置传感器。他们在脸上画上随机的黑白斑点图案，然后在受试者进行微笑、抽动脸颊或口述某些字母的形状等面部动作时，用多个摄像头拍摄该区域的许多图像。这些图像经过软件处理，分析小点之间的移动关系，以确定单个区域经历的应变量。

"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，"McIntosh说。"然后我们看着我们的应变图，并确定我们在脸上的哪里看到了我们设备的正确应变水平，并确定这是一个合适的地方，将设备放在我们的试验中。"

研究人员还利用皮肤变形的测量结果来训练一种机器学习算法，以区分微笑、张嘴和抿嘴。利用这种算法，他们用两名ALS患者测试了这些设备，在区分这些不同动作时，能够达到约75%的准确率。健康受试者的准确率为87%。

"面部动作的连续监测在神经肌肉疾病患者的非语言交流中起着关键作用。目前，主流的方法是摄像头跟踪，这对连续、便携的使用提出了挑战。"东京大学电气工程和信息系统教授、工程学院院长Takao Someya说，他没有参与这项研究。"作者已经成功开发了薄型、可穿戴、压电传感器，可以可靠地解码面部应变并预测面部运动学。"

    加强沟通  

研究人员表示，基于这些可检测的面部动作，可以创建一个短语或单词库，以对应不同的动作组合。

"我们可以根据你能做的动作创建可定制的信息，"Dagdeviren说。"从技术上讲，你可以创建数千条信息，现在还没有其他技术可以做到。这一切都取决于你的库配置，它可以为特定的病人或一组病人设计。"

来自传感器的信息被发送到一个手持式处理单元，该单元使用研究人员训练的算法对其进行分析，以区分面部动作。研究人员说，在目前的原型中，这个单元与传感器是有线连接的，但也可以做成无线连接，以方便使用。

研究人员已经为这项技术申请了专利，他们现在计划在更多患者身上进行测试。研究人员表示，除了帮助患者进行交流外，该设备还可以用来追踪患者的病情进展，或者衡量他们所接受的治疗是否有效果。

"有很多临床试验正在测试某种治疗方法是否对逆转ALS有效，"Tasnim说。"这种设备不是仅仅依靠患者报告他们感觉更好或他们感觉更强，而是可以给出一个量化的衡量标准来跟踪效果。"

该研究由麻省理工学院媒体实验室联盟、国家科学基金会和国家生物医学影像和生物工程研究所资助。