Ηλεκτρονικό επίθεμα επιτρέπει την ομιλία σε άτομα με φωνητικές διαταραχές
Τα άτομα με φωνητικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με παθολογικές παθήσεις των φωνητικών χορδών ή που αναρρώνουν από χειρουργικές επεμβάσεις καρκίνου του λάρυγγα, δυσκολεύονται να μιλήσουν. Αυτό μπορεί να αλλάξει σύντομα.
Μια ομάδα μηχανικών από το πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες (UCLA) εφηύρε μια μαλακή, λεπτή, ελαστική συσκευή μεγέθους μόλις 3 τετραγωνικών εκατοστών που μπορεί να στερεωθεί στο δέρμα έξω από τον λαιμό για να βοηθήσει άτομα με δυσλειτουργικές φωνητικές χορδές να ανακτήσουν τη φωνητική τους λειτουργία.
Η ανακάλυψή τους περιγράφεται λεπτομερώς σε σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Nature Communications.
Το νέο βιοηλεκτρικό επίθεμα, που αναπτύχθηκε από τον Jun Chen, επίκουρο καθηγητή βιομηχανικής στην Σχολή Μηχανολόγων του UCLA, και τους συναδέλφους του, είναι σε θέση να ανιχνεύει την κίνηση στους μύες του λάρυγγα ενός ατόμου και να “μεταφράζει” αυτά τα σήματα σε ακουστική ομιλία με τη βοήθεια μηχανής με ειδική τεχνολογία εκμάθησης. Το τελικό αποτέλεσμα έχει σχεδόν 95% ακρίβεια στην απόδοση ομιλίας του χρήστη!
Πώς λειτουργεί το επίθεμα
Η νέα του μικροσκοπική συσκευή μοιάζει με αυτοκόλλητο επίθεμα και αποτελείται από δύο εξαρτήματα:
- Το ένα είναι ένα αυτοτροφοδοτούμενο αισθητήριο στοιχείο. Ανιχνεύει και μετατρέπει τα σήματα που παράγονται από τις κινήσεις των μυών σε υψηλής πιστότητας, αναλύσιμα ηλεκτρικά σήματα. Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα στη συνέχεια μεταφράζονται σε σήματα ομιλίας χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης.
- Το άλλο είναι ένα στοιχείο ενεργοποίησης. Μετατρέπει αυτά τα σήματα ομιλίας στην επιθυμητή φωνητική έκφραση.
Τα δύο εξαρτήματα περιέχουν το καθένα άλλα δύο στρώματα:
- ένα στρώμα βιοσυμβατής ένωσης σιλικόνης πολυδιμεθυλσιλοξάνης (PDMS) με ελαστικές ιδιότητες και
- ένα στρώμα μαγνητικής επαγωγής από επαγωγικά πηνία χαλκού
Ανάμεσα στα δύο συστατικά βρίσκεται ένα πέμπτο στρώμα που περιέχει PDMS αναμεμειγμένη με μικρομαγνήτες. Αυτό το στρώμα δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο.
Χρησιμοποιώντας έναν μαλακό μαγνητοελαστικό αισθητήριο μηχανισμό η συσκευή είναι σε θέση να ανιχνεύει αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο καθώς αυτό μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα μηχανικών δυνάμεων: σε αυτήν την περίπτωση, της κίνησης των μυών του λάρυγγα. Τα ενσωματωμένα επαγωγικά πηνία στο μαγνητοελαστικό στρώμα βοηθούν στη δημιουργία ηλεκτρικών σημάτων υψηλής πιστότητας για σκοπούς ανίχνευσης.
Με τετράγωνο σχήμα πλευρών μήκους 3 εκατοστών, το επίθεμα ζυγίζει περίπου 7 γραμμάρια και έχει πάχος μόλις 1,5 χιλιοστά. Με βιοσυμβατή ταινία διπλής όψης, μπορεί εύκολα να προσκολληθεί στον λαιμό του χρήστη στο ύψος των φωνητικών χορδών και σε αυτήν να κολλήσει το επίθεμα.
Λύση από... ταινία επιστημονικής φαντασίας για τα άτομα με φωνητικές διαταραχές
Οι διαταραχές φωνής είναι διαδεδομένες σε όλες τις ηλικίες και τις δημογραφικές ομάδες. Έρευνα έχει δείξει ότι σχεδόν το 30% των ανθρώπων θα εμφανίσει τουλάχιστον μία τέτοια διαταραχή στη ζωή του. Με θεραπευτικές προσεγγίσεις, όπως χειρουργικές παρεμβάσεις και φωνητική θεραπεία, η ανάκτηση φωνής μπορεί να εκτείνεται από τρεις μήνες έως ένα έτος, με ορισμένες επεμβατικές τεχνικές να απαιτούν και σημαντική περίοδο υποχρεωτικής μετεγχειρητικής φωνητικής ανάπαυσης.
Το επίθεμα έχει σχεδιαστεί για να καταγράφει τη δραστηριότητα των μυών του λάρυγγα κάτω από το δέρμα.
“Οι υπάρχουσες λύσεις είναι συχνά άβολες και επεμβατικές ή άβολες. Αυτή η νέα συσκευή αποτελεί μια φορητή, μη επεμβατική επιλογή, ικανή να βοηθά τους ασθενείς στην επικοινωνία τόσο πριν από τη θεραπεία όσο και κατά την περίοδο αποκατάστασης μετά τη θεραπεία”, δήλωσε ο δρ. Chen, ο οποίος ηγείται της Wearable Bioelectronics Research Group στο UCLA.
Πώς η μηχανική εκμάθηση επιτρέπει την τεχνολογία φορητών συσκευών
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές δοκίμασαν τη φορητή τεχνολογία σε 8 υγιείς ενήλικες. Συνέλεξαν δεδομένα για την κίνηση των μυών του λάρυγγα και χρησιμοποίησαν έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης για να συσχετίσουν τα προκύπτοντα σήματα με ορισμένες λέξεις. Στη συνέχεια επέλεξαν ένα αντίστοιχο φωνητικό σήμα εξόδου μέσω του στοιχείου ενεργοποίησης της συσκευής.
Η ερευνητική ομάδα απέδειξε την ακρίβεια του συστήματος βάζοντας τους συμμετέχοντες να προφέρουν πέντε προτάσεις (τόσο φωναχτά, όσο και χωρίς φωνή) όπως “Γεια σου Ρέιτσελ, πώς είσαι σήμερα;” και “σ' αγαπώ”!
Η συνολική ακρίβεια του μοντέλου ήταν 94,68%, με το φωνητικό σήμα των συμμετεχόντων να ενισχύεται από τη συνιστώσα ενεργοποίησης, δείχνοντας ότι ο αισθητήριος μηχανισμός αναγνώριζε το σήμα κίνησης του λάρυγγα και το αντιστοίχιζε με την πρόταση που ήθελαν να πουν οι συμμετέχοντες.
Πηγή: ucla.edu
