Saúde

Um sensor vestível para ajudar os pacientes com ELA a se comunicarem
Os pesquisadores desenvolveram um dispositivo semelhante à pele que pode medir pequenos movimentos faciais em pacientes que perderam a capacidade de falar.
Por Anne Trafton - 26/10/2020


Todos os componentes do dispositivo sensor são fáceis de produzir em massa, então os pesquisadores estimam que cada dispositivo custaria cerca de US $ 10. Créditos:Imagem: David Sadat

Pessoas com esclerose lateral amiotrófica (ELA) sofrem um declínio gradual em sua capacidade de controlar seus músculos. Como resultado, muitas vezes perdem a capacidade de falar, dificultando a comunicação com outras pessoas.

Uma equipe de pesquisadores do MIT projetou agora um dispositivo extensível semelhante à pele que pode ser conectado ao rosto do paciente e medir pequenos movimentos, como uma contração muscular ou um sorriso. Usando essa abordagem, os pacientes podem comunicar uma variedade de sentimentos, como “Eu te amo” ou “Estou com fome”, com pequenos movimentos que são medidos e interpretados pelo dispositivo.

Os pesquisadores esperam que seu novo dispositivo permita que os pacientes se comuniquem de uma forma mais natural, sem ter que lidar com equipamentos volumosos. O sensor vestível é fino e pode ser camuflado com maquiagem para combinar com qualquer tom de pele, tornando-o discreto.

“Nossos dispositivos não são apenas maleáveis, macios, descartáveis ​​e leves, mas também visualmente invisíveis”, diz Canan Dagdeviren, professor assistente de desenvolvimento de carreira da LG Electronics em artes e ciências da mídia no MIT e líder da equipe de pesquisa. “Você pode camuflá-lo e ninguém pensaria que você tem algo na pele.”

Os pesquisadores testaram a versão inicial de seu dispositivo em dois pacientes com ELA (um feminino e um masculino, para equilíbrio de gênero ) e mostraram que ele podia distinguir com precisão três expressões faciais diferentes - sorriso, boca aberta e lábios franzidos.

Farita Tasnim, estudante de pós-graduação do MIT, e o ex-cientista Tao Sun, são os principais autores do estudo, que aparece hoje na Nature Biomedical Engineering . Outros autores do MIT são a graduanda Rachel McIntosh, a pós-doutoranda Dana Solav, o cientista pesquisador Lin Zhang e o gerente sênior de laboratório David Sadat. Yuandong Gu do Instituto de Microeletrônica A * STAR em Cingapura e Nikta Amiri, Mostafa Tavakkoli Anbarani e M. Amin Karami da Universidade de Buffalo também são autores.

Um sensor parecido com a pele

O laboratório de Dagdeviren, o grupo Conformable Decoders , é especializado no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos conformáveis ​​(flexíveis e elásticos) que podem aderir ao corpo para uma variedade de aplicações médicas. Ela ficou interessada em trabalhar em maneiras de ajudar os pacientes com distúrbios neuromusculares a se comunicarem depois de conhecer Stephen Hawking em 2016, quando o físico de renome mundial visitou a Universidade de Harvard e Dagdeviren era um membro júnior na Sociedade de Fellows de Harvard.

Hawking, que faleceu em 2018, sofria de uma forma de ELA de evolução lenta. Ele foi capaz de se comunicar usando um sensor infravermelho capaz de detectar contrações musculares em sua bochecha, que movia o cursor por linhas e colunas de letras. Embora eficaz, esse processo pode consumir muito tempo e exigir equipamentos volumosos.

Outros pacientes com ELA usam dispositivos semelhantes que medem a atividade elétrica dos nervos que controlam os músculos faciais. No entanto, essa abordagem também requer equipamentos pesados ​​e nem sempre é precisa.

“Esses dispositivos são muito rígidos, planos e quadrados, e a confiabilidade é um grande problema. Você pode não obter resultados consistentes, mesmo com os mesmos pacientes no mesmo dia ”, diz Dagdeviren.

A maioria dos pacientes com ELA também acaba perdendo a capacidade de controlar seus membros, portanto, digitar não é uma estratégia viável para ajudá-los a se comunicar. A equipe do MIT decidiu projetar uma interface vestível que os pacientes pudessem usar para se comunicar de uma forma mais natural, sem o equipamento volumoso exigido pelas tecnologias atuais.

O dispositivo que eles criaram consiste em quatro sensores piezoelétricos embutidos em uma fina película de silicone. Os sensores, feitos de nitreto de alumínio, podem detectar a deformação mecânica da pele e convertê-la em uma voltagem elétrica que pode ser facilmente medida. Todos esses componentes são fáceis de produzir em massa, então os pesquisadores estimam que cada dispositivo custaria cerca de US $ 10.

Os pesquisadores usaram um processo chamado correlação de imagem digital em voluntários saudáveis ​​para ajudá-los a selecionar os locais mais úteis para colocar o sensor. Eles pintaram um padrão aleatório de manchas em preto e branco no rosto e, em seguida, tiraram muitas imagens da área com várias câmeras enquanto os sujeitos realizavam movimentos faciais, como sorrir, contrair a bochecha ou pronunciar o formato de certas letras. As imagens foram processadas por um software que analisa como os pequenos pontos se movem em relação uns aos outros, para determinar a quantidade de tensão experimentada em uma única área.

“Tínhamos sujeitos fazendo movimentos diferentes e criamos mapas de deformações de cada parte do rosto”, diz McIntosh. “Em seguida, olhamos nossos mapas de deformação e determinamos onde estávamos vendo o nível de deformação correto para nosso dispositivo e determinamos que aquele era um local apropriado para colocar o dispositivo para nossos testes.”

Os pesquisadores também usaram as medições das deformações da pele para treinar um algoritmo de aprendizado de máquina para distinguir entre um sorriso, boca aberta e lábios franzidos. Usando esse algoritmo, eles testaram os dispositivos com dois pacientes com ELA e foram capazes de atingir cerca de 75 por cento de precisão na distinção entre esses movimentos diferentes. A taxa de precisão em indivíduos saudáveis ​​foi de 87 por cento.

“O monitoramento contínuo dos movimentos faciais desempenha um papel fundamental nas comunicações não verbais para pacientes com doenças neuromusculares. Atualmente, a abordagem dominante é o rastreamento de câmeras, que apresenta um desafio para o uso contínuo e portátil ”, diz Takao Someya, professor de engenharia elétrica e sistemas de informação e reitor da Escola de Engenharia da Universidade de Tóquio, que não esteve envolvido em o estudo. “Os autores desenvolveram com sucesso sensores piezoelétricos finos, usáveis, que podem decodificar de forma confiável tensões faciais e prever a cinemática facial.”

Comunicação aprimorada

Com base nesses movimentos faciais detectáveis, uma biblioteca de frases ou palavras poderia ser criada para corresponder a diferentes combinações de movimentos, dizem os pesquisadores.

“Podemos criar mensagens personalizáveis ​​com base nos movimentos que você pode fazer”, diz Dagdeviren. “Você pode criar tecnicamente milhares de mensagens que, no momento, nenhuma outra tecnologia está disponível para fazer. Tudo depende da configuração da sua biblioteca, que pode ser projetada para um determinado paciente ou grupo de pacientes. ”

As informações do sensor são enviadas para uma unidade de processamento portátil, que as analisa usando o algoritmo que os pesquisadores treinaram para distinguir os movimentos faciais. No protótipo atual, esta unidade é conectada ao sensor, mas a conexão também poderia ser feita sem fio para facilitar o uso, dizem os pesquisadores.

Os pesquisadores entraram com o pedido de patente desta tecnologia e agora planejam testá-la com outros pacientes. Além de ajudar os pacientes a se comunicarem, o dispositivo também pode ser usado para rastrear a progressão da doença de um paciente ou para medir se os tratamentos que estão recebendo estão tendo algum efeito, dizem os pesquisadores.

“Existem muitos ensaios clínicos que estão testando se um determinado tratamento é ou não eficaz para reverter a ALS”, diz Tasnim. “Em vez de apenas depender dos pacientes para relatar que se sentem melhor ou mais fortes, este dispositivo pode fornecer uma medida quantitativa para monitorar a eficácia.”

A pesquisa foi financiada pelo MIT Media Lab Consortium, pela National Science Foundation e pelo National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering.

 

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