حسگر منعطف پوستی برای کمک به بیماران ALS در برقراری ارتباط
پژوهشگران MIT یک حسگر پوشیدنی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند تغییر شکل‌های کوچک پوست را تشخیص دهد و راهی برای کمک به بیماران مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) برای برقراری ارتباط از طریق حرکات صورت باشد. این حسگرها بسیار ارزان و از فناوری‌های ارتباطی فعلی برای بیماران ALS مؤثرتر است.
بیماری اسکلروز جانبی آمیوتروفیک و برقراری ارتباط
افراد مبتلا به اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (ALS) از کاهش تدریجی توانایی خود در کنترل عضلات رنج می‌برند. در نتیجه، آنها توانایی تکلم خود را از دست می‌دهند و این امر ارتباط با دیگران را دشوار می‌کند.اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه MIT دستگاهی منعطف و شبیه پوست طراحی کرده‌اند که می‌تواند به صورت بیمار متصل شود و حرکات کوچک مانند کشیدگی یا لبخند را اندازه‌گیری کند. با استفاده از این روش، بیماران می‌توانند احساسات مختلفی مانند «من گرسنه‌ام» را با حرکات کوچکی که توسط دستگاه اندازه‌گیری و تفسیر می‌شوند، بیان کنند.
پژوهشگران امیدوارند که دستگاه جدید آنها به بیماران امکان برقراری ارتباطی طبیعی و بدون نیاز به تجهیزات حجیم را بدهد. این حسگر پوشیدنی نازک است و می‌تواند با آرایش استتار شود تا با هر رنگ پوست مطابقت داشته باشد. Canan Dagdeviren، استادیار علوم و هنرهای رسانه‌ای در MIT و رهبر این گروه، می‌گوید:
«دستگاه‌های ما نه تنها منعطف، نرم، یکبار مصرف و سبک هستند بلکه از نظر بصری نیز قابل مشاهده نیستند. شما می‌توانید آن را استتار کنید و هیچ کس فکر نمی‌کند که چیزی روی پوست خود دارید».
پژوهشگران نسخه اولیه دستگاه خود را روی دو بیمار ALS (یک زن و یک مرد) آزمایش کردند و نشان دادند که می‌تواند سه حالت مختلف صورت، لبخند زدن، دهان باز و لب‌های جمع شده را با دقت تشخیص دهد.
یک حسگر شبیه پوست
آزمایشگاه Dagdeviren در زمینه توسعه دستگاه‌های الکترونیکی سازگار (منعطف و کشسان) متخصص است که می‌تواند برای انواع برنامه‌های پزشکی به بدن بچسبد. وی پس از ملاقات با استیون هاوکینگ در سال ۲۰۱۶، هنگامی‌که فیزیکدان مشهور جهان از دانشگاه هاروارد بازدید کرد و Dagdeviren دانشجوی ارشد هاروارد بود، علاقه‌مند به کار روی روش‌های کمک به بیماران مبتلا به اختلالات عصبی عضلانی شد.هاوکینگ، که در سال ۲۰۱۸ از دنیا رفت، از یک نوع بیماری ALS رنج می‌برد. او قادر بود با استفاده از یک حسگر مادون قرمز که می‌تواند جمع شدن گونه‌های او را تشخیص دهد، ارتباط برقرار کند و مکان نما را روی ردیف‌ها و ستون‌هایی از حروف حرکت دهد. این روند مؤثر است اما می‌تواند زمان‌بر و نیاز به تجهیزات حجیم داشته باشد.سایر بیماران ALS از دستگاه‌های مشابهی استفاده می‌کنند که فعالیت الکتریکی اعصاب کنترل کننده عضلات صورت را اندازه‌گیری می‌کنند. این روش به تجهیزات دست و پاگیر نیاز دارد و همیشه دقیق نیست. Dagdeviren می‌گوید:
«این دستگاه‌ها بسیار سخت، مسطح و حجیم هستند و قابلیت اطمینان مسئله بزرگی است. ممکن است حتی در یک روز روی بیماران یکسان نتیجه مشابه نگیرید».
بیشتر بیماران ALS در نهایت توانایی کنترل اندام خود را از دست می‌دهند، بنابراین تایپ کردن یک استراتژی مناسب برای کمک به آنها در برقراری ارتباط نیست. گروه MIT قصد داشت یک رابط پوشیدنی را طراحی کند که بیماران بتوانند از آن برای برقراری ارتباط به روشی طبیعی‌تر و بدون تجهیزات حجیم استفاده کنند.دستگاهی که آنها ایجاد کردند از چهار حسگر پیزوالکتریک تعبیه شده در یک فیلم سیلیکونی نازک تشکیل شده است. این حسگرها که از نیترید آلومینیوم ساخته شده‌اند، می‌توانند تغییر شکل مکانیکی پوست را تشخیص داده و آن را به ولتاژ الکتریکی تبدیل کنند که به راحتی قابل اندازه‌گیری است. تولید همه این اجزا آسان است، بنابراین پژوهشگران تخمین می‌زنند که قیمت هر دستگاه حدود ۱۰ دلار باشد.
تعیین مکان حسگر
پژوهشگران از فرآیندی به نام همبستگی تصویربرداری دیجیتال روی داوطلبان سالم استفاده کردند تا مفیدترین مکان را برای قرار دادن حسگر انتخاب کنند. آنها یک الگوی تصادفی سیاه و سفید را روی صورت قرار دادند و سپس در حالی که افراد حرکاتی مانند لبخند زدن، کشیدن گونه یا دهان را انجام می‌دادند، با دوربین‌های متعدد تصاویر بسیاری از آن ناحیه گرفتند. تصاویر توسط نرم‌افزاری پردازش شد که نحوه حرکت نقاط کوچک را تجزیه و تحلیل می‌کند تا میزان فشار وارد شده به آن ناحیه را تعیین کند.
پژوهشگران همچنین از اندازه‌گیری تغییر شکل پوست برای آموزش یک الگوریتم یادگیری ماشین و تشخیص لبخند، دهان باز و لب‌های جمع شده استفاده کردند. آنها با استفاده از این الگوریتم، دستگاه‌ها را روی دو بیمار مبتلا به ALS آزمایش کردند و توانستند در تشخیص ۷۵ حرکت مختلف، ۷۵ درصد دقت داشته باشند. میزان دقت در افراد سالم ۸۷ درصد بود.Takao Someya، استاد مهندسی برق و سامانه‌های اطلاعاتی و رئیس دانشکده مهندسی دانشگاه توکیو می‌گوید:
«نظارت مداوم بر حرکات صورت، نقشی اساسی در ارتباطات غیرکلامی بیماران مبتلا به اختلالات عصبی عضلانی دارد. در حال حاضر، روش اصلی ردیابی با دوربین است، که چالشی برای استفاده مداوم و قابلیت حمل دارد. پژوهشگران با موفقیت حسگرهای نازک، پوشیدنی و پیزوالکتریک تولید کرده‌اند که می‌تواند کشیدگی صورت را با اطمینان رمزگشایی کند و سینماتیک صورت را پیش بینی کند».
ارتباطات پیشرفته
بر اساس حرکات قابل تشخیص صورت، می‌توان کتابخانه‌ای از عبارات یا کلمات ایجاد کرد تا با حرکات مختلف مطابقت داشته باشد. Dagdeviren می‌گوید:
«ما می‌توانیم پیام‌های قابل تنظیم را بر اساس حرکاتی که می‌توانید انجام دهید، ایجاد کنیم. شما می‌توانید از نظر فنی هزاران پیام ایجاد کنید که در حال حاضر هیچ فناوری دیگری برای انجام آن در دسترس نیست. همه این‌ها به پیکربندی کتابخانه شما بستگی دارد که می‌تواند برای یک بیمار خاص یا گروهی از بیماران طراحی شود».
ثبت اختراع این فناوری انجام شده است و اکنون پژوهشگران قصد دارند آن را با بیماران دیگری آزمایش کنند. این فناوری افزون بر کمک به بیماران در برقراری ارتباط، می‌تواند برای ردیابی روند پیشرفت بیماری یا اندازه‌گیری تأثیر یک روش درمانی استفاده شود.
