私人定制你的大白:MIT开源工具包可以低成本3D打印肌肉健康监测设备

2021-11-18 09:20啸云3D打印
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生物电阻抗断层成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技术是一种新型医学功能成像技术,它的原理是在人体表面电极上施加一微弱的电流,并测得其他电极上的电压值,根据电压与电流之间的关系重构出人体内部电阻抗值或者电阻抗的变化值。


由于该方法未使用核素或射线,对人体无害,因此可以多次测量重复使用,且成像速度快,具有功能成像等特点,加之其成本较低,不要求特殊的工作环境,因此电阻抗断层成像是一种理想的、具有诱人应用前景的无损伤医学成像技术,在 20 世纪末迅速成为研究热点。目前,一些商用的电阻抗断层成像设备已在临床开展应用。


但是,电阻抗断层成像设备的硬件设置通常庞大且昂贵,并需要复杂的算法来破译数据。因此,目前电阻抗断层成像设备的应用局限于医院等专业医疗领域,用于监测人体某一部分的内部结构,如肺功能和癌症检测等。


在过去的几十年里,随着廉价电子产品、3D 打印技术和开源 EIT 图像库的出现和发展,使得更多领域的人也可以便捷地将电阻抗断层成像设备应用于触觉感知、手势识别,在健康领域则多应用到运动医学和家庭护理当中,这些场景展现了低成本开发电阻抗断层成像设备的市场潜力。


但对于目前来说,设计可穿戴设备仍然是一个挑战:由于每个人的肌肉和骨骼都存在着细微差别,能够私人定制可穿戴设备使之与个体肌肉相匹配,是一大挑战。

近期,麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室(CSAIL)发布了一款新的工具包,能够让用户自主设计出可以检测肌肉运动的健康感应设备,降低了设计和制造可穿戴设备的门槛。该论文最终发表在计算机人机交互领域国际顶级会议 ACM UIST 2021上。


该工具包(EIT-kit)是一种电阻抗断层扫描工具包 ,可在 EIT 设备开发的不同阶段为用户提供支持。该工具包包括:1) 3D 编辑器,用于自定义监测成像的设定以及电极分布设置;2) 全新设计的 EIT 传感主板,支持不同的测量设置,并提供可调节的交流注入电流以提高信号质量;3)自动校准信号并促进数据收集的微控制器库;4)支持移动设备的图像重建库,用以在手机等设备上可视化数据。


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图 | 使用工具包制成的用于肌肉健康监测的 EIT 设备


“EIT-kit”3D 编辑器允许用户输入 EIT 设备参数并将其导出到 3D 打印机进行组装。”项目主要研究者,MIT CSAIL 博士候选人朱均逸称。


通过使用电阻抗断层成像,由该工具包制成的设备可以测量内部传导率,以判断肌肉是否被激活或放松。大多数可穿戴设备只能感知运动,而 EIT 设备可以感知实际的肌肉活动。该团队构建了一个原型,可以感知受试者大腿的肌肉拉伤和张力,让他们能够监测受伤后的肌肉恢复情况。文章中他们还展示了其他用途,如手势识别、分心驾驶监测等。


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图 | 执行手势识别功能的 EIT 设备


目前,该团队正在与哈佛医学院以及麻省总医院(MGH)合作使用这些设备,帮助患者进行康复训练。


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