Persone con disturbi della voce, compresi quelli con condizioni patologiche delle corde vocali o che si stanno riprendendo laringeo interventi chirurgici contro il cancro, spesso possono avere difficoltà o impossibilità a parlare. Ciò potrebbe presto cambiare con l’aiuto di un dispositivo indossabile assistito dall’intelligenza artificiale.
Misurando poco più di 1 pollice quadrato, il dispositivo potrebbe aiutare le persone con corde vocali disfunzionali a ritrovare la funzione vocale. Credito immagine: Jun Chen Lab/UCLA
Un team di ingegneri dell’UCLA ha inventato un dispositivo morbido, sottile ed elastico che misura poco più di 1 pollice quadrato e che può essere attaccato alla pelle fuori dalla gola per aiutare le persone con corde vocali disfunzionali a ritrovare la funzione vocale. Il loro progresso è dettagliato questa settimana sulla rivista Nature Communications.
Il nuovo sistema bioelettrico, sviluppato da Jun Chen, un assistente professore di bioingegneria presso la Samueli School of Engineering dell’UCLA, e i suoi colleghi, sono in grado di rilevare il movimento nei muscoli della laringe di una persona e tradurre tali segnali in parlato udibile con l’assistenza della tecnologia di apprendimento automatico, con una precisione di quasi il 95%.
Questa svolta è l’ultima degli sforzi di Chen per aiutare le persone con disabilità. Il suo team aveva precedentemente sviluppato a guanto indossabile in grado di tradurre in tempo reale la lingua dei segni americana in inglese per aiutare gli utenti dell’ASL a comunicare con chi non sa firmare.
Il nuovo minuscolo dispositivo simile a una patch è composto da due componenti. Il primo, un componente di rilevamento autoalimentato, rileva e converte i segnali generati dai movimenti muscolari in segnali elettrici analizzabili ad alta fedeltà; questi segnali elettrici vengono poi tradotti in segnali vocali utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico. L’altro, un componente di attuazione, trasforma i segnali vocali nell’espressione vocale desiderata.
I due componenti contengono ciascuno due strati: uno strato di composto siliconico biocompatibile polidimetilsilossano, o PDMS, con proprietà elastiche, e uno strato di induzione magnetica costituito da bobine di induzione in rame. Tra i due componenti è inserito un quinto strato contenente PDMS mescolato con micromagneti, che genera un campo magnetico.
Utilizzando un soft meccanismo di rilevamento magnetoelastico sviluppato dal team di Chen nel 2021, il dispositivo è in grado di rilevare i cambiamenti nel campo magnetico quando viene alterato a causa di forze meccaniche, in questo caso il movimento dei muscoli laringei. Le bobine di induzione a serpentina incorporate negli strati magnetoelastici aiutano a generare segnali elettrici ad alta fedeltà per scopi di rilevamento.
Misurando 1,2 pollici su ciascun lato, il dispositivo pesa circa 7 grammi ed ha uno spessore di soli 0,06 pollici. Grazie al nastro biadesivo biocompatibile, può facilmente aderire alla gola di un individuo vicino alla posizione delle corde vocali e può essere riutilizzato riapplicando il nastro secondo necessità.
I disturbi della voce sono prevalenti in tutte le età e in tutti i gruppi demografici; la ricerca ha dimostrato che quasi il 30% delle persone sperimenta almeno uno di questi disturbi nel corso della propria vita. Tuttavia, con approcci terapeutici, come gli interventi chirurgici e la terapia vocale, il recupero della voce può durare da tre mesi a un anno, con alcune tecniche invasive che richiedono un periodo significativo di riposo vocale postoperatorio obbligatorio.
“Le soluzioni esistenti come i dispositivi elettrolaringe portatili e le procedure di puntura tracheoesofagea possono essere scomode, invasive o scomode”, ha affermato Chen, a capo del progetto. Gruppo di ricerca sulla bioelettronica indossabile all’UCLA, ed è stato nominato uno dei i ricercatori più citati al mondo cinque anni consecutivi. “Questo nuovo dispositivo rappresenta un’opzione indossabile e non invasiva in grado di assistere i pazienti nella comunicazione durante il periodo precedente al trattamento e durante il periodo di recupero post-trattamento per i disturbi della voce”.
Come il machine learning abilita la tecnologia indossabile
Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno testato la tecnologia indossabile su otto adulti sani. Hanno raccolto dati sul movimento dei muscoli laringei e hanno utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico per correlare i segnali risultanti a determinate parole. Hanno quindi selezionato un segnale vocale in uscita corrispondente attraverso il componente di attuazione del dispositivo.
Il gruppo di ricerca ha dimostrato l’accuratezza del sistema chiedendo ai partecipanti di pronunciare cinque frasi, sia ad alta voce che senza voce, tra cui “Ciao, Rachel, come stai oggi?” e ti amo!”
L’accuratezza complessiva della previsione del modello è stata del 94,68%, con il segnale vocale dei partecipanti amplificato dal componente di attuazione, dimostrando che il meccanismo di rilevamento riconosceva il segnale del movimento laringeo e corrispondeva alla frase corrispondente che i partecipanti desideravano dire.
In futuro, il gruppo di ricerca prevede di continuare ad ampliare il vocabolario del dispositivo attraverso l’apprendimento automatico e di testarlo su persone con disturbi del linguaggio.
Altri autori dell’articolo sono gli studenti laureati dell’UCLA Samueli Ziyuan Che, Chrystal Duan, Xiao Wan, Jing Xu e Tianqi Zheng, tutti membri del laboratorio di Chen.
La ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health, dall’Office of Naval Research degli Stati Uniti, dall’American Heart Association, dalla Brain & Behavior Research Foundation, dall’UCLA Clinical and Translational Science Institute e dalla UCLA Samueli School of Engineering.
Fonte: UCLA
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