肌萎缩性侧索硬化症（ALS）的人控制肌肉的能力逐渐下降。结果，他们经常失去说话的能力，使其难以与他人交流。

麻省理工学院的一个研究人员团队现在已经设计了一种可拉伸的，类似皮肤的设备，该设备可以连接到患者的脸上，并且可以测量诸如抽搐或微笑之类的小动作。使用这种方法，患者可以通过设备测量和解释的微小动作传达各种情绪，例如“我爱你”或“我饿了”。

研究人员希望他们的新设备能够使患者以更自然的方式进行交流，而不必处理笨重的设备。可穿戴式传感器很薄，可以伪装成化妆品以匹配任何肤色，因此不显眼。

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，研究团队负责人Canan Dagdeviren说：“我们的设备不仅具有可延展性，柔软性，一次性性和轻巧性，而且在视觉上也不可见。” “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ALS患者（一名女性和一名男性，以确保性别平衡）中测试了该设备的初始版本，并表明该设备可以准确地区分三种不同的面部表情-微笑，张开嘴巴和lips起嘴唇。

麻省理工学院的研究生法里塔·塔斯尼姆（Farita Tasnim）和前研究科学家陶孙是该研究的主要作者，该研究今天发表在《自然生物医学工程》上。麻省理工学院的其他作者是本科生Rachel McIntosh，博士后Dana Solav和研究科学家Lin Zhang。新加坡A * STAR微电子研究所的Yuanyuan Gu和Nikta Amiri，Mostafa Tavakkoli Anbarani和布法罗大学的M. Amin Karami也是作者。

皮肤般的传感器

Dagdeviren的实验室，适形解码器小组，专门从事开发可粘附于身体的适形（柔性和可拉伸）电子设备，用于各种医疗应用。在2016年与斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）会面后，她对研究如何帮助神经肌肉疾病患者进行交流产生了兴趣，当时世界著名物理学家拜访了哈佛大学，而达格德维伦（Dagdeviren）是哈佛研究员协会的初级研究员。

霍金于2018年去世，患有一种进展缓慢的ALS。他能够使用红外线传感器进行通讯，该传感器可以检测到脸颊的抽搐，从而使光标在字母的行和列之间移动。虽然有效，但此过程可能很耗时且需要庞大的设备。

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

Dagdeviren说：“这些设备非常坚硬，平面且呈方形，可靠性是一个大问题。即使在同一天同一位患者，您也可能无法获得一致的结果。”

大多数ALS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交流的可行策略。麻省理工学院的团队着手设计一种可穿戴式界面，患者可以使用它以更自然的方式进行通信，而无需使用当前技术所需的笨重设备。

他们创建的设备由嵌入在硅树脂薄膜中的四个压电传感器组成。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易于测量的电压。所有这些组件都易于批量生产，因此研究人员估计每台设备的成本约为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性的过程，以帮助他们选择最有用的位置来放置传感器。他们在脸上随机画出黑白斑点图案，然后在对象进行面部动作（例如笑脸，抽动脸颊或吐出某些字母的形状）时，使用多个摄像头在该区域拍摄了许多图像。图像由软件处理，该软件分析小点如何相对于彼此移动，以确定单个区域中经受的应变量。

麦金托什说：“我们让受试者进行不同的动作，并创建了脸部各个部位的应变图。” “然后，我们查看了应变图，确定了在脸部的哪个位置看到了适用于该设备的正确应变水平，并确定该位置是放置该设备进行试验的合适位置。”

研究人员还使用皮肤变形的测量结果来训练机器学习算法，以区分微笑，张开嘴巴和lips起嘴唇。他们使用此算法对两名ALS患者进行了设备测试，并能够在区分这些不同动作方面获得大约75％的准确性。健康受试者的准确率是87％。

加强沟通

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来对应不同的动作组合。

Dagdeviren说：“我们可以根据您的动作创建可自定义的消息。” “从技术上讲，您可以创建成千上万条消息，而现在没有其他技术可以使用。这完全取决于您的库配置，可以针对特定患者或一组患者设计该库。”

来自传感器的信息被发送到手持式处理单元，手持式处理单元使用研究人员训练以区分面部动作的算法对其进行分析。研究人员说，在当前的原型机中，该装置已连接至传感器，但也可以通过无线方式实现连接。

研究人员已经申请了这项技术的专利，他们现在计划对其他患者进行测试。研究人员说，除了帮助患者交流之外，该设备还可以用于追踪患者疾病的进展，或衡量他们所接受的治疗是否有效。

Tasnim说：“有许多临床试验正在测试某种特定疗法对逆转ALS是否有效。”该设备不仅可以依靠患者报告自己感觉好些或感觉自己强壮，还可以提供定量的措施来追踪疗效。”

这项研究由麻省理工学院媒体实验室联盟，美国国家科学基金会以及美国国家生物医学成像与生物工程研究所资助。