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| 本文作者： 老王 | 2018-02-07 15:36 |
雷鋒網(wǎng)按：美國時間2月5日，Empatica公司的AI手環(huán)產(chǎn)品Embrace獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)，該設(shè)備利用機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，通過皮膚來檢測和提醒患者和看護(hù)人癲癇癥發(fā)作，并持續(xù)追蹤發(fā)病時間和頻率。
作為一款明星可穿戴醫(yī)療設(shè)備，Embrace早在2014年就已被國內(nèi)廣大醫(yī)療和科技愛好者所熟知。當(dāng)時Embrace發(fā)起了一項眾籌活動，10萬美元的目標(biāo)眾籌額，僅一天時間便完成。
然而很多人有所不知，Embrace的發(fā)明者正是大名鼎鼎的MIT Media Lab情感計算研究部創(chuàng)始人Rosalind Picard，Picard長期從事計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、腦神經(jīng)科學(xué)、人機交互的交叉研究，著作的《Affective Computing》開創(chuàng)了計算機科學(xué)和人工智能學(xué)科中的新分支——“情感計算”，Picard也隨之被人稱作“情感計算之母”。
雷鋒網(wǎng)AI掘金志記者2017年有幸在舊金山AAAI會議中，遇到了這位殿堂級人工智能學(xué)術(shù)專家，并對她的講話內(nèi)容進(jìn)行全程記錄。（詳細(xì)內(nèi)容請閱讀文章下半部分：《Rosalind Picard醫(yī)療AI產(chǎn)品研究自述》，國內(nèi)獨家）
2017年4月，Embrace在歐洲被批準(zhǔn)為癲癇監(jiān)測與警報醫(yī)療設(shè)備。直到昨日，才正式通過美國FDA的審批。
雷鋒網(wǎng)了解到，在Embrace臨床試驗中，來自各地區(qū)的135名患者在傳統(tǒng)癲癇監(jiān)測裝置上進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，與此同時，患者也佩戴了Embrace。
經(jīng)過長達(dá)272天的檢測，其中至少有2/3的癲癇病學(xué)家依據(jù)“金標(biāo)準(zhǔn)”對視頻腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行了臨床檢驗，期間患者總共有40次全身強直性痙攣發(fā)作，隨后核對完Embrace設(shè)備的數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)檢測準(zhǔn)確率高達(dá)100%。
眾所周知，泛發(fā)性強直痙攣發(fā)作會致使意識喪失，并在一段時間后使人處于神志不清狀態(tài)。
常規(guī)情況下，臨床試驗須依賴患者在發(fā)作時做報告記錄，但這一過程問題諸多，據(jù)悉，超過40%的危險泛發(fā)性強直痙攣發(fā)作沒有做報告記錄，而采用Embrace檢測的發(fā)作報告則更加便捷且準(zhǔn)確。
手環(huán)還會立即向看護(hù)人發(fā)出警報，在需要的時候提供幫助。
Embrace檢測流程如下：
1.發(fā)作檢測：設(shè)備不斷通過傳感器收集患者的生理數(shù)據(jù)，然后利用機器學(xué)習(xí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，檢測異常癥狀發(fā)作。
2.警報調(diào)度：警報應(yīng)用程序通過藍(lán)牙連接到手環(huán)設(shè)備，并在Embrace檢測到癲癇發(fā)作時自動激活。應(yīng)用程序?qū)⑹褂弥悄苁謾C的蜂窩數(shù)據(jù)或Wi-Fi連接發(fā)送警報通知（短信和電話）給您的看護(hù)者。
3.看護(hù)者警報：Embrace警報系統(tǒng)同時會通知患者的看護(hù)人員，看護(hù)者只需有手機信號的手機即可接收這些通知，非智能機也適配。
過去幾十年來，癲癇研究領(lǐng)域一直在等待一個便攜易用的生物標(biāo)志物替代佩戴腦電圖(EEG)供患者在醫(yī)院外使用。
全球最權(quán)威的癲癇專家之一、紐約大學(xué)綜合癲癇中心主任Orrin Devinsky，在他35年的職業(yè)生涯中已經(jīng)看到了傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)的種種缺點，使得每年有3000多名美國人因為沒有及時發(fā)現(xiàn)和治療，死于癲癇猝死(SUDEP)。他指出FDA批準(zhǔn)了Embrace是治療癲癇病的重要里程碑事件，它能夠?qū)崟r提醒患者的家屬和看護(hù)人，從而降低癲癇猝死事件的發(fā)生率。
Embrace與其他癲癇檢測系統(tǒng)不同，它可以測量癲癇發(fā)作的多個指標(biāo)，包含皮電反應(yīng)(EDA)，EDA是“應(yīng)激反應(yīng)”研究人員用來量化與交感神經(jīng)系統(tǒng)活動相關(guān)的生理變化信號，也被稱為“戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)”（機體經(jīng)一系列的神經(jīng)和腺體反應(yīng)將被引發(fā)應(yīng)激，使軀體做好防御、掙扎或者逃跑的準(zhǔn)備）。
人體自主神經(jīng)系統(tǒng)分為交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)。
當(dāng)人感到興奮，或者一些重要的事情正在發(fā)生或即將發(fā)生時，交感神經(jīng)興奮會隨之增加。生理和心理上的應(yīng)激反應(yīng)也會增加。而在癲癇發(fā)作時，興奮性會顯著增加。
皮膚是唯一一個完全由交感神經(jīng)系統(tǒng)支配的器官(不受副交感神經(jīng)活動的影響)。通過監(jiān)測皮膚表面細(xì)微的電變化，可以觀察到交感神經(jīng)興奮性的增加。
心率變化是由交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)活動引起。對副交感神經(jīng)系統(tǒng)興奮或迷走神經(jīng)張力預(yù)估，可以通過提取心率變異性的高頻分量來實現(xiàn)。
當(dāng)杏仁核或海馬體被激活時，它們會在身體的同一側(cè)引起皮膚傳導(dǎo)。
在左側(cè)刺激四個大腦區(qū)域，右邊四個區(qū)域(深度電極)，在同一側(cè)產(chǎn)生巨大的皮膚電導(dǎo)。此外，如果癲癇發(fā)作強烈刺激杏仁核，它可能導(dǎo)致較大的皮電反應(yīng)和窒息情況。
MIT媒體實驗室情感計算研究部負(fù)責(zé)人、Empatica首席科學(xué)家Rosalind Picard感嘆道，把這項技術(shù)從實驗室遷移到一個易用、便捷的傳感器上具有非常重大的醫(yī)學(xué)意義：
這是一段非常漫長的旅程——多年來我們一直致力于構(gòu)建可穿戴應(yīng)激反應(yīng)的和情感傳感器，在偶然中發(fā)現(xiàn)，機器可以通過皮膚的變化來檢測最危險的癲癇發(fā)作和相關(guān)大腦活動。
其實早在2008年，她就發(fā)現(xiàn)可以使用腕帶測量皮膚電傳導(dǎo)的方式來追蹤自閉癥孩子的應(yīng)激反應(yīng)水平。那么近10年來，她做了哪些努力使得這項實驗室里的技術(shù)被FDA批準(zhǔn)，歡迎閱讀雷鋒網(wǎng)AI掘金志獨家出品的Rosalind Picard自述：
當(dāng)我與一個患孤獨癥的年輕女士做實驗時，她與我說話時很緊張，于是打字對我說：“Ros，你做得不對。你讀別人的情緒，對我來說并不是問題，但你讀不到我的?！碑?dāng)時我感到有些受傷，因為這是我賴以謀生的工作。
但她繼續(xù)說：“并不只是你，所有人都體會不到我的情緒?！?/p>
我就說：“大家為什么會體察不出對方的情緒？我們沒能從你身上讀出的情感是什么？或者，我們讀錯了什么？”她說：”你們感覺不到我的緊張、焦慮?！?/p>
我意識到，很多人在高度緊張、心頭沉重時，或許其焦慮情緒馬上就要爆發(fā)，但他自己卻沒意識到，而是把自己內(nèi)心關(guān)閉，與周遭分隔開。再比如中學(xué)里某老師對一個的男孩說道：“起來！做點正事去”，雖然只是很普通的話。但小男孩情緒卻瞬間崩潰了，因為他剛被學(xué)校開除。如果老師能正確解讀這個小男孩的情緒，就能避免類似情況發(fā)生。
多年前我們開始做大量情緒檢測實驗的時候，把這看作是一般性的情緒激動信號，但后來證明它比我們想象的遠(yuǎn)遠(yuǎn)更豐富有趣。對于檢測出汗的手掌的技術(shù)，過去我們稱之為“galvanic skin response”，如今一般更科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤Q為“electrodermal activity”（EDA，皮膚電活動），測量皮膚的電導(dǎo)系數(shù)（conductance）和微摩爾（micromole）。
在麻省理工的 Media Lab，我們著手開發(fā)具有這項技術(shù)的設(shè)備，讓測試者七天 24 小時佩戴，監(jiān)測其數(shù)據(jù)，希望為情緒崩潰等情緒變化提供線索。Empatica 有兩個已經(jīng)商業(yè)化的產(chǎn)品：E4 智能手表推出已經(jīng)有一年，專為研究人員收集測試者收據(jù)。它已被認(rèn)證為醫(yī)療設(shè)備，能收集符合臨床要求的數(shù)據(jù)；另外還有 Embrace 智能手環(huán)。
E4 智能手表
我們的興趣在于，獲取能讓我們讀取自主神經(jīng)系統(tǒng)（autonomic nerve system）兩大分支（“sympathetic division” 和 “parasympathetic division”）的數(shù)據(jù)，它們能呈現(xiàn)出緊張、“fight or flight”（打還是跑）和“rest and digest”（休息、消化）反應(yīng)。收集的兩大信號會實時傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備，你能看到皮膚電活動、微摩爾、脈搏（需要按住智能手表），脈搏又可用來計算心率。
除這兩大分支（sympathetic，parasympathetic）以外，自主神經(jīng)系統(tǒng)還有第三個分支：enteric。它很有意思，但現(xiàn)在我們還沒有測量的好辦法。人腦有數(shù)億個神經(jīng)元，在人睡眠時會進(jìn)行無數(shù)有趣的活動、還有各種很酷的學(xué)習(xí)跡象，所以人腦智能研究的成果非常值得期待。但現(xiàn)在的研究重心是逃跑反應(yīng)（flight response）和 parasympathetic 分支的“休息、消化”。前者通過皮膚來監(jiān)測，后者則通常是觀察心率圖譜中的高頻波段。
由于很多研究有自閉癥參與，我們經(jīng)常受到要求，開發(fā)他們這一群體易于使用的產(chǎn)品。舉個例子，我們研究團(tuán)隊是世界首個利用普通攝像頭、計算機視覺技術(shù)、時間序列分析（time series analysis）、分解法（decomposition），無需人體接觸而根據(jù)測試者臉色（雷鋒網(wǎng)注：心跳快慢影響面部血液流動，產(chǎn)生面部顏色變化）來讀取心率和呼吸頻率的算法。
最近，我們在嘗試根據(jù)你隨身攜帶的物品（例如口袋里的智能手機），讀取心率和呼吸頻率，而無需佩戴任何設(shè)備。我們把該技術(shù)的精確率與業(yè)界的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”——專業(yè)醫(yī)療呼吸傳感器和 ECG 心率檢測設(shè)備對比，以下是受試者在不同姿勢下的平均誤差：
醫(yī)療級的手指脈搏傳感器（戴在受試者手指）誤差在 4 心率/分鐘左右，而我們的技術(shù)平均誤差幾乎全部在 4 以下，因而可說是十分準(zhǔn)確。對于習(xí)慣把手機放在手提包里的人們，如果手提包與人體接觸有限，僅僅用手提著，誤差會稍稍大一些；但如果手提包緊貼于身側(cè)，還是非常精確的。另外，如果你手持智能手機，無論是注視屏幕或是舉著它接聽電話，監(jiān)測結(jié)果都非常精確。但如果你用手指不停點擊屏幕、執(zhí)行觸摸操作，誤差會變大，這倒在意料之中。大家請等我們的好消息——未來會推出能監(jiān)測心率和呼吸頻率的手機 app，而不需要專門的傳感器。
關(guān)于 parasympathetic 和心率監(jiān)測到此為止了，這次講座剩下的部分將聚焦于 EDA 和電導(dǎo)系數(shù)。首先，當(dāng)下的研究階段對我來說十分關(guān)鍵——這是我第一次看到測試者七天 24 小時不間斷的皮膚電導(dǎo)系數(shù)數(shù)據(jù)，目前測試者全是 MIT 的學(xué)生。圖中每一行代表著一天。EDA 在實驗室工作時段（圖中用黃色表示）升高在我們預(yù)料之中，這是由于學(xué)術(shù)交流、認(rèn)知負(fù)荷、情緒負(fù)荷、高難度的 MIT 學(xué)習(xí)和研究（非常難、需要全神貫注的作業(yè)）。看電視時 EDA 很低。令人驚訝的是（學(xué)生的）社交活動很少，這就是 MIT 的生活（笑）。社交時 EDA 小幅上升，但不及實驗室時段。當(dāng)你只是聽別人講話時，EDA 較低，但當(dāng)你講話時，它會上升。
最大的驚訝來自于睡覺時段：這期間的皮膚電活動比一天中其他時段都要高。不僅 MIT 學(xué)生如此，普通人也是這般。我們對此提出了許多研究問題，也發(fā)表了許多論文，在這里，我只想指出一點：我們想知道 EDA、EEG （腦電波監(jiān)測裝置，戴在受試者頭部） 和 ACC 各自、以及它們之間組合而成的特征，是否都能反映出睡眠時段的大腦活動高峰期。大家都知道，睡眠讓人腦子更好使——當(dāng)一個人學(xué)了些新東西然后去睡覺，睡醒后進(jìn)行測試往往成績更好。
于是我們進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的記憶鞏固、學(xué)習(xí)、睡眠實驗，把睡眠后比睡眠前提升最大的受試者，和提升幅度最小、甚至沒有提升抑或降低的受試者進(jìn)行對比測試。我們創(chuàng)建了一個二元分類器，來看看是否能夠使用這些特征，把兩組受試者區(qū)分出來。迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最佳特征是六個智能體（agents）的特征，利用六個很簡單的機器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行特征測試。如圖所示，我們看到在一組實驗中紫色所代表的測試（EDA+ACC）；其它所有實驗中紅色所代表的測試（EDA），最能辨別出睡眠時的大腦高峰活動。
細(xì)想之下，這其實很讓人驚訝：為什么手腕上的汗水分泌，會和大腦中的學(xué)習(xí)活動相關(guān)？為什么 EEG 的效果不如它？
當(dāng)我們成功開發(fā)出汗液分析腕帶（配有皮膚電導(dǎo)系數(shù)傳感器，能夠七天 24 小時運行）之后，很多人上門借取，用于各種研究。有一天，實驗室里的一名本科生對我說：“教授 Picard，我的弟弟不能說話，他有孤獨癥，我很想知道到底是什么事讓他這么緊張？我能借一個智能腕帶在圣誕假期時給我弟弟用嗎？拜托了！”我回答道：“當(dāng)然可以，別只拿一個，帶走兩個吧?！?/p>
之后，我開始在辦公室電腦上查看這個小男孩的數(shù)據(jù)。第一天很正常，雖然男孩因為不喜歡雙手的腕帶而尖叫，覺得累贅。第二天也很正常，是個放松的假日。但在第三天，異變發(fā)生了：一只腕帶的指數(shù)突然飆得極高，而另一只腕帶卻沒有反應(yīng)。我以為傳感器一定是壞了，怎么可能身體一側(cè)感到緊張、焦慮，另一側(cè)卻沒有？我仔細(xì)查看數(shù)據(jù)，兩個傳感裝置在這前后一切正常，任何異樣。我試圖找到問題所在，但沮喪地一無所獲，不得不破例給我假期中的學(xué)生打電話。學(xué)生說，那剛好是他弟弟癲癇大發(fā)作前 20 分鐘。
雷鋒網(wǎng)按：這件事令 Rosalind Picard 異常震驚，一度以為是傳感器故障，這是因為：
腦電波在癲癇發(fā)作前產(chǎn)生預(yù)兆性的異常活動聞所未聞，若證實，將是醫(yī)學(xué)上的突破性發(fā)現(xiàn)；
癲癇只在身體一側(cè)產(chǎn)生異常反應(yīng)，亦匪夷所思。
為解開這兩個謎題， Rosalind Picard 求證于某兒童醫(yī)院的癲癇腦外科醫(yī)生，該醫(yī)生在從醫(yī)生涯中的確遇到過癲癇發(fā)作前在身體一側(cè)產(chǎn)生生理反應(yīng)的病例，但醫(yī)學(xué)上尚未有合理解釋。于是兩人展開研究，在癲癇患者身上進(jìn)行 EEG、EDA 監(jiān)測。實驗結(jié)果證實，所有患者均在癲癇發(fā)作時才產(chǎn)生異常腦電波、皮膚電活動（雷鋒網(wǎng)注：小男孩的皮膚電異常，應(yīng)為無痙攣癥狀的癲癇發(fā)作）。另外，研究發(fā)現(xiàn)，由于大腦中許多組織成對出現(xiàn)，當(dāng)只有其中一個受到異常腦電波刺激，身體另一側(cè)的皮膚會產(chǎn)生異常皮膚電活動（舉個例子，若右側(cè)腦組織接受異常刺激，人體左側(cè)皮膚會有異常電活動，反之亦然）。
癲癇發(fā)作時的腦電波異常
在此這些都不是主要成果，Rosalind Picard 等另外揭開了一個重大研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng) EEG 傳感器檢測到測試者腦電波活動停止時（癲癇猝死癥（SUDEP）癥狀，大腦活動完全停止，導(dǎo)致患者呼吸停止），停止的時間越長，死亡的風(fēng)險就越大，但同時，EDA 檢測到的皮膚電指數(shù)就越高。
癲癇猝死癥時，大腦活動停止
簡而言之，皮膚電活動指數(shù)能準(zhǔn)確監(jiān)測癲癇猝死癥。該發(fā)現(xiàn)意義深遠(yuǎn)——這代表著，若癲癇患者隨身佩戴 EDA 傳感設(shè)備，一旦癲癇猝死癥發(fā)作，系統(tǒng)就能立刻通知其他人，予以救援。順便說一句，癲癇猝死癥的死亡率在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中僅次于中風(fēng)，排在第二名，超過阿茲海默癥（注：民間常做老年癡呆癥）；但當(dāng)它發(fā)作，癲癇者昏迷時，外界及時干預(yù)具有非常高的成功救活幾率。許多不必要的死亡，其實是癲癇猝死癥未能及時發(fā)現(xiàn)。
因此，Rosalind Picard 和她的同事推出了智能腕帶 Embrace，內(nèi)置 EDA 模塊，能準(zhǔn)確監(jiān)測癲癇患者的狀態(tài)。Embrace 已獲得歐盟的醫(yī)療設(shè)備認(rèn)證，并正在申請美國的許可。
Embrace
Embrace 發(fā)布之后，Rosalind Picard 收到一個患者家庭的感謝信。事情是這樣的：該家庭的媽媽給患有癲癇的女兒買了 Embrace，24 小時佩戴。出事時，媽媽正在家里洗澡，但她的智能手機突然發(fā)出 Embrace 發(fā)來的警報。她拿起手機看了一下，不確實是否該相信，但猶豫一下后就沖出浴室，發(fā)現(xiàn)女兒臉朝下趴在地面上，呼吸停止，臉色變成了藍(lán)紫色。她把女兒翻過來，實施簡單的刺激，女兒重新開始呼吸，臉色慢慢變紅。她十分感謝 Embrace 救了女兒一命。
我們正在做一些更具深遠(yuǎn)意義的事情。
在美國15-44歲的人群中，重度抑郁癥是造成殘疾的主因。下面是 CDC 搜集的橫跨15年的數(shù)據(jù)，反映出一個非常嚴(yán)肅的社會趨勢：
在 1999-2014 年間，美國自殺率增長了 24%
45-64 歲白人男性人群自殺率上升 59%
45-64 歲白人女性人群自殺率上升 80%
5-14 歲年輕女孩自殺率翻了三倍
抑郁癥不僅在美國，在全世界范圍內(nèi)都將成為人類的重大生存威脅：發(fā)展中國家的自殺率更高且仍在增長。
WHO （世衛(wèi)組織）的預(yù)測是：
到 2020 年，每 20 秒就有一人自殺。
而到 2030 年，抑郁將超越癌癥、交通事故、戰(zhàn)爭和中風(fēng)，成為人類死亡和殘疾的首要誘因。
當(dāng)然這個數(shù)據(jù)只是預(yù)測，我們不希望這成為現(xiàn)實。所以在麻省理工的 MediaLab，我們在思考：“為什么不開發(fā)一些預(yù)防措施呢？”今天，我們已經(jīng)能很容易地從手機、可穿戴等設(shè)備里獲得情緒焦慮數(shù)據(jù)、睡眠數(shù)據(jù)、社交數(shù)據(jù)和其它情緒數(shù)據(jù)。我們每年從參與研究的用戶身上，搜集超過 10 億樣本數(shù)據(jù)，包括睡眠波、運動、光照（lightning exposure）、自主神經(jīng)系統(tǒng)焦慮、發(fā)信息行為、打電話行為、地理位置、社交網(wǎng)絡(luò)互動 、移動出行等等數(shù)據(jù)。
結(jié)合機器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行因果推理，我們或許能預(yù)測情緒變化。如果我們能預(yù)測出部分心情變化，那么就能避免一些對自己不利的事，提高生活品質(zhì)。舉個例子，當(dāng)你工作到凌晨，不確定是要去睡覺，還是多花點時間把工作完成。機器學(xué)習(xí)算法可根據(jù)過去的數(shù)據(jù)，推算出如果你熬夜工作，第二天身體狀態(tài)會很不好、心情很差的概率，再根據(jù)推算結(jié)果給出建議。
但現(xiàn)在的數(shù)據(jù)規(guī)模還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需收集更多。若有了足夠的數(shù)據(jù)，如果我們能為每個城市做天氣預(yù)報，為什么不能給每個人做心情預(yù)報？如此一來，我們或許能幫助很多人避免一些焦慮、抑郁情緒，甚至是抑郁癥。目前抑郁癥治療的主要障礙是診斷：不少患者從來沒有去醫(yī)院看過醫(yī)生，絕大多數(shù)人只在情況變得嚴(yán)重時才看醫(yī)生。很多人直到被家人、朋友拽去醫(yī)院神經(jīng)科才意識到自己出現(xiàn)了問題。
如果我們能通過機器學(xué)習(xí)技術(shù)分析數(shù)據(jù)，提供早期預(yù)警呢？如果我們能通過及早發(fā)現(xiàn)、采取措施，預(yù)防 80% 的抑郁癥呢？
得到預(yù)警之后，人們可以及時處理導(dǎo)致其抑郁狀態(tài)的導(dǎo)火索，避免病情惡化；然后通過一系列社交、運動、睡眠、飲食、焦慮來改善生理、精神狀態(tài)。這是我的研究小組正著手挑戰(zhàn)的難題之一，這會是一個長期的研究課題。
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