Τα άτομα με παθολογικές νόσους των φωνητικών χορδών ή που αναρρώνουν από χειρουργικές επεμβάσεις καρκίνου του λάρυγγα, μπορεί συχνά να δυσκολεύονται να μιλήσουν ή να μη μιλούν καθόλου. Αυτό όμως θα αλλάξει σύντομα με μια συσκευή που ανέπτυξε μια ομάδα μηχανικών του πανεπιστημίου της Καλιφόρνια (UCLA).
Η συσκευή που περιγράφεται στο περιοδικό Nature Communications είναι μαλακή, λεπτή και ελαστική σε μέγεθος μόλις 2,5 εκατοστών και μπορεί να στερεωθεί στο δέρμα έξω από το λαιμό για να βοηθήσει άτομα με δυσλειτουργικές φωνητικές χορδές να ανακτήσουν τη φωνή τους.
Το νέο βιοηλεκτρικό σύστημα, που αναπτύχθηκε από τον Jun Chen, επίκουρο καθηγητή εμβιομηχανικής στο UCLA και τους συναδέλφους του, είναι σε θέση να ανιχνεύει την κίνηση των μυών του λάρυγγα ενός ατόμου και να μεταφράζει αυτά τα σήματα σε ομιλία με τη βοήθεια μηχανικής μάθησης με σχεδόν 95% ακρίβεια. Η ομάδα είχε αναπτύξει προηγουμένως ένα φορητό γάντι ικανό να μεταφράζει την νοηματική γλώσσα σε ομιλία στην αγγλική γλώσσα σε πραγματικό χρόνο.
Η μικροσκοπική νέα συσκευή που μοιάζει με έμπλαστρο αποτελείται από δύο εξαρτήματα. Το ένα είναι ένας αυτοτροφοδοτούμενος αισθητήρας που ανιχνεύει και μετατρέπει τα σήματα που παράγονται από τις κινήσεις των μυών σε υψηλής πιστότητας ηλεκτρικά σήματα. Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα στη συνέχεια μεταφράζονται σε ομιλία χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης. Το άλλο, είναι ένα στοιχείο ενεργοποίησης που μετατρέπει αυτά τα σήματα ομιλίας στην επιθυμητή φωνή.
Τα δύο εξαρτήματα περιέχουν το καθένα δύο στρώματα, ένα στρώμα βιοσυμβατής ένωσης σιλικόνης πολυδιμεθυλσιλοξάνης ή PDMS με ελαστικές ιδιότητες και ένα στρώμα μαγνητικής επαγωγής από επαγωγικά πηνία χαλκού. Ανάμεσα στα δύο συστατικά βρίσκεται ένα στρώμα που περιέχει PDMS αναμεμειγμένο με μικρομαγνήτες, το οποίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο.
Χρησιμοποιώντας έναν μαλακό μαγνητοελαστικό αισθητήριο μηχανισμό που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Chen το 2021, η συσκευή είναι σε θέση να ανιχνεύει αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο όταν αυτό μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα μηχανικών δυνάμεων, εν προκειμένω της κίνησης των μυών του λάρυγγα. Τα ενσωματωμένα επαγωγικά πηνία βοηθούν στη δημιουργία ηλεκτρικών σημάτων υψηλής πιστότητας για σκοπούς ανίχνευσης.
Με μέγεθος 2,5 εκατοστών σε κάθε πλευρά, η συσκευή ζυγίζει περίπου 7 γραμμάρια και έχει πάχος μόλις 1,5 εκατοστό. Με μια βιοσυμβατή ταινία διπλής όψης μπορεί εύκολα να προσκολληθεί στο λαιμό ενός ατόμου κοντά στη θέση των φωνητικών χορδών και να επαναχρησιμοποιηθεί.
Οι διαταραχές της φωνής μπορεί να συμβούν σε όλες τις ηλικίες και τις πληθυσμιακές ομάδες. Έρευνα έχει δείξει ότι σχεδόν το 30% των ανθρώπων θα εμφανίσουν τουλάχιστον μία τέτοια διαταραχή στη ζωή τους. Ωστόσο, με θεραπευτικές προσεγγίσεις, όπως χειρουργικές παρεμβάσεις απαιτείται υποχρεωτική μετεγχειρητική φωνητική ανάπαυση για αρκετό χρονικό διάστημα.
«Οι υπάρχουσες λύσεις όπως οι φορητές συσκευές ηλεκτρολάρυγγα και οι διαδικασίες τραχειοοισοφαγικής επέμβασης μπορεί να είναι άβολες. Αυτή η νέα συσκευή παρουσιάζει μια φορητή, μη επεμβατική επιλογή ικανή να βοηθήσει τους ασθενείς στην επικοινωνία πριν από τη θεραπεία και κατά την περίοδο της αποκατάστασης», λέει ο Chen
Στα πειράματά τους, οι ερευνητές δοκίμασαν τη φορητή τεχνολογία σε οκτώ υγιείς ενήλικες. Συνέλεξαν δεδομένα για την κίνηση των μυών του λάρυγγα και χρησιμοποίησαν έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης για να συσχετίσουν τα σήματα που προέκυψαν 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 και φωναχτά και χωρίς φωνή συμπεριλαμβανομένης των «Γεια, Ρέιτσελ, πώς είσαι σήμερα;» και «σ 'αγαπώ!»
Η συνολική ακρίβεια πρόβλεψης του μοντέλου ήταν 94,68%, δείχνοντας ότι ο αισθητήριος μηχανισμός αναγνώρισε το σήμα κίνησης του λάρυγγα και ταίριαζε με την αντίστοιχη πρόταση που ήθελαν να πουν οι συμμετέχοντες. Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να συνεχίσει να διευρύνει το λεξιλόγιο της συσκευής μέσω της μηχανικής μάθησης και να το δοκιμάσει πλέον σε άτομα με διαταραχές ομιλίας.
