Cảm biến đeo trên mặt giúp bệnh nhân ALS giao tiếp

Những người mắc chứng xơ cứng teo cơ một bên (ALS) bị suy giảm dần khả năng kiểm soát cơ, kết quả là họ thường mất khả năng nói, khó giao tiếp với người khác. Một nhóm các nhà nghiên cứu của MIT đã thiết kế một thiết bị nhỏ đeo trên da, gắn vào khuôn mặt của bệnh nhân và có thể đo các chuyển động nhỏ như co giật hoặc cười. Thiết bị sẽ giúp "phiên dịch" các chuyển động nhỏ trên khuôn mặt của bệnh nhân thành nhiều biểu hiện khác nhau, chẳng hạn như “Tôi yêu bạn” hoặc “Tôi đói”.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng thiết bị mới của họ sẽ cho phép bệnh nhân giao tiếp theo cách tự nhiên hơn mà không cần phải sử dụng thiết bị cồng kềnh. Cảm biến này rất nhỏ, mỏng và có thể được ngụy trang bằng lớp trang điểm sau khi dán lên da mặt để phù hợp với mọi màu da, giúp nó không bị lộ. "Các thiết bị cảm biến của chúng tôi không chỉ dễ uốn, mềm, nhẹ mà còn rất khó nhìn thấy bằng mắt thường. Bệnh nhân có thể dễ dàng ngụy trang và không ai nghĩ rằng họ đang đeo thứ gì đó trên da,” Canan Dagdeviren, Giáo sư tại MIT, đồng thời là trưởng nhóm nghiên cứu cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm phiên bản đầu tiên của thiết bị trên hai bệnh nhân ALS (một nữ và một nam, để cân bằng giới tính) và cho thấy rằng nó có thể phân biệt chính xác ba biểu cảm khuôn mặt khác nhau - cười, mở miệng và mím môi.

Phòng thí nghiệm của Dagdeviren chuyên phát triển các thiết bị điện tử linh hoạt và có thể kéo dãn, có thể dính chặt vào cơ thể cho nhiều ứng dụng y tế khác nhau. Cô bắt đầu quan tâm đến việc tìm cách giúp những bệnh nhân bị rối loạn thần kinh cơ giao tiếp sau khi gặp Stephen Hawking vào năm 2016, khi nhà vật lý nổi tiếng thế giới đến thăm Đại học Harvard và Dagdeviren là thành viên trong Hội nghiên cứu sinh của Harvard.

Hawking, qua đời vào năm 2018, mắc phải một dạng ALS tiến triển chậm. Ông có thể giao tiếp bằng cách sử dụng một cảm biến hồng ngoại có thể phát hiện ra các co giật trên má, giúp di chuyển con trỏ để chọn từng chữ cái. Mặc dù hiệu quả, quá trình này có thể tốn nhiều thời gian để bệnh nhân ALS nói xong một câu và yêu cầu thiết bị cồng kềnh. Các bệnh nhân ALS khác sử dụng các thiết bị tương tự để đo hoạt động điện của các dây thần kinh điều khiển cơ mặt. Tuy nhiên, cách làm này cũng đòi hỏi thiết bị cồng kềnh và không phải lúc nào cũng chính xác. "Những thiết bị này rất cồng kềnh, cứng và thường xếp thành hình hộp, và độ tin cậy không cao," Dagdeviren nói.

Hầu hết bệnh nhân ALS cuối cùng cũng mất khả năng kiểm soát tay chân, vì vậy đánh máy không phải là một chiến lược khả thi để giúp họ giao tiếp. Nhóm nghiên cứu của MIT bắt đầu thiết kế một thiết bị để bệnh nhân có thể đeo được và sử dụng để giao tiếp theo cách tự nhiên hơn mà không cần đến thiết bị cồng kềnh như các công nghệ hiện có.

Thiết bị mà họ tạo ra bao gồm bốn cảm biến áp điện được đặt trong một màng silicone mỏng. Các cảm biến được làm bằng nhôm nitride, có thể phát hiện biến dạng cơ học của da và chuyển nó thành điện áp đo được. Tất cả các thành phần này đều dễ sản xuất hàng loạt, vì vậy các nhà nghiên cứu ước tính rằng mỗi thiết bị sẽ có giá chỉ khoảng 10 USD.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một quy trình gọi là tương quan hình ảnh kỹ thuật số trên những tình nguyện viên khỏe mạnh để giúp họ chọn các vị trí phù hợp nhất trên mặt để đặt cảm biến. Họ vẽ các đốm đen trắng ngẫu nhiên trên khuôn mặt tình nguyện viên và sau đó chụp nhiều hình ảnh của khu vực đó bằng nhiều máy ảnh, trong khi đối tượng thực hiện các chuyển động trên khuôn mặt như mỉm cười, nhếch má hoặc nhếch miệng theo hình dạng của các chữ cái nhất định. Các hình ảnh được xử lý bằng phần mềm phân tích cách các chấm nhỏ di chuyển để xác định mức độ biến dạng cơ học trên một khu vực của khuôn mặt.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các bản đồ biến dạng của từng bộ phận trên khuôn mặt. Sau đó, họ xác định vị trí nào trên khuôn mặt có mức độ căng phù hợp để thiết bị cảm biến nhận dạng được, hay nói cách khác là vị trí thích hợp nhất trên mặt để đặt cảm biến.

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng các phép đo biến dạng da để đào tạo một thuật toán học máy phân biệt giữa nụ cười, miệng mở và môi mím. Sử dụng thuật toán này, họ đã thử nghiệm thiết bị với hai bệnh nhân ALS và có thể đạt được độ chính xác khoảng 75% trong việc phân biệt giữa các chuyển động khác nhau này. Tỷ lệ chính xác ở các đối tượng khỏe mạnh là 87%.

"Việc theo dõi liên tục các chuyển động trên khuôn mặt đóng một vai trò quan trọng trong giao tiếp phi ngôn ngữ đối với bệnh nhân rối loạn thần kinh cơ. Hiện tại, phương pháp tiếp cận chính là theo dõi camera, rất khó sử dụng một cách linh động và liên tục," theo Takao Someya, giáo sư kỹ thuật điện và hệ thống thông tin, đồng thời là trưởng khoa Kỹ thuật tại Đại học Tokyo, người không tham gia vào nghiên cứu. "Các tác giả MIT đã phát triển thành công cảm biến áp điện mỏng, có thể đeo được và có thể giải mã một cách đáng tin cậy các biến dạng trên khuôn mặt và dự đoán động học trên khuôn mặt."

Các nhà nghiên cứu cho biết, dựa trên những chuyển động trên khuôn mặt, bệnh nhân ALS có thể giao tiếp bằng cách tạo ra một danh sách các cụm từ hoặc từ tương ứng với các chuyển động khác nhau. Khi bệnh nhân thực hiện một chuyển động, cảm biến sẽ xác định được và phiên dịch thành từ hoặc cụm từ tương ứng.

“Chúng tôi có thể thiết lập các thông điệp tương ứng với các chuyển động mà bệnh nhân có thể làm,” Dagdeviren nói. "Về mặt kỹ thuật, bạn có thể tạo ra hàng nghìn thông điệp, ngay bây giờ không có công nghệ nào khác có thể làm được điều này. Tất cả chỉ phụ thuộc vào cách tạo danh sách [chuyển động - thông điệp tương ứng], có thể thiết kế riêng cho một bệnh nhân hoặc một nhóm bệnh nhân cụ thể."

Thông tin từ cảm biến được gửi đến một bộ phận xử lý cầm tay, bộ phận này sẽ phân tích chuyển động khuôn mặt bằng thuật toán mà các nhà nghiên cứu đã đào tạo để phân biệt giữa các chuyển động khác nhau trên khuôn mặt. Trong nguyên mẫu hiện tại, thiết bị này được nối dây với cảm biến đeo trên mặt, nhưng về sau có thể chuyển sang kết nối không dây để dễ sử dụng hơn, các nhà nghiên cứu cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã đăng ký bằng sáng chế công nghệ này và hiện họ có kế hoạch thử nghiệm nó với nhiều bệnh nhân khác. Nhóm nghiên cứu cho biết, ngoài việc giúp bệnh nhân giao tiếp, thiết bị này cũng có thể được sử dụng để theo dõi sự tiến triển của bệnh ALS hoặc để đo lường hiệu quả các phương pháp điều trị.

Có rất nhiều thử nghiệm lâm sàng đang kiểm tra xem liệu một phương pháp điều trị cụ thể có hiệu quả trong việc đảo ngược ALS hay không. Thay vì chỉ dựa vào việc bệnh nhân báo cáo rằng họ cảm thấy tốt hơn hoặc họ cảm thấy khỏe hơn, thiết bị này có thể đưa ra một thước đo định lượng để theo dõi hiệu quả điều trị.

Nghiên cứu phát triển thiết bị này được tài trợ bởi MIT Media Lab Consortium, Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa kỳ và Viện Kỹ thuật Sinh học và Hình ảnh Y sinh Quốc gia Hoa Kỳ.

https://news.mit.edu/2020/sensor-als-communicate-1022