15 Μαρτίου 2024 (Ειδήσεις Nanowerk) Τα άτομα με φωνητικές διαταραχές, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με παθολογικές καταστάσεις φωνητικών χορδών ή που αναρρώνουν από χειρουργικές επεμβάσεις καρκίνου του λάρυγγα, μπορεί συχνά να δυσκολεύονται ή να δυσκολεύονται να μιλήσουν. Αυτό μπορεί να αλλάξει σύντομα. Μια ομάδα μηχανικών του UCLA εφηύρε μια μαλακή, λεπτή, ελαστική συσκευή μεγέθους μόλις 1 τετραγωνικής ίντσας που μπορεί να στερεωθεί στο δέρμα έξω από το λαιμό για να βοηθήσει άτομα με δυσλειτουργικές φωνητικές χορδές να ανακτήσουν τη φωνητική τους λειτουργία. Η πρόοδός τους αναφέρεται λεπτομερώς στο περιοδικό Nature Communications («Ομιλία χωρίς φωνητικές πτυχές χρησιμοποιώντας ένα φορητό σύστημα ανίχνευσης-ενεργοποίησης με υποβοήθηση μηχανικής μάθησης»). Το νέο βιοηλεκτρικό σύστημα, που αναπτύχθηκε από τον Jun Chen, επίκουρο καθηγητή βιομηχανικής στο UCLA Samueli School of Engineering, και τους συναδέλφους του, είναι σε θέση να ανιχνεύσει την κίνηση στους μύες του λάρυγγα ενός ατόμου και να μεταφράσει αυτά τα σήματα σε ακουστική ομιλία με τη βοήθεια μηχανής- τεχνολογία εκμάθησης — με σχεδόν 95% ακρίβεια. Η σημαντική ανακάλυψη είναι η τελευταία στις προσπάθειες του Chen να βοηθήσει τα άτομα με αναπηρία. Η ομάδα του ανέπτυξε προηγουμένως ένα φορητό γάντι ικανό να μεταφράζει την αμερικανική νοηματική γλώσσα στην αγγλική ομιλία σε πραγματικό χρόνο για να βοηθήσει τους χρήστες του ASL να επικοινωνούν με όσους δεν ξέρουν πώς να υπογράφουν. Η μικροσκοπική νέα συσκευή που μοιάζει με patch αποτελείται από δύο εξαρτήματα. Το ένα, ένα αυτοτροφοδοτούμενο αισθητήριο εξάρτημα, ανιχνεύει και μετατρέπει σήματα που παράγονται από μυϊκές κινήσεις σε υψηλής πιστότητας, αναλύσιμα ηλεκτρικά σήματα. Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα στη συνέχεια μεταφράζονται σε σήματα ομιλίας χρησιμοποιώντας έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης. Το άλλο, ένα στοιχείο ενεργοποίησης, μετατρέπει αυτά τα σήματα ομιλίας στην επιθυμητή φωνητική έκφραση. Τα δύο συστατικά περιέχουν το καθένα δύο στρώματα: ένα στρώμα βιοσυμβατής ένωσης σιλικόνης πολυδιμεθυλσιλοξανίου ή PDMS, με ελαστικές ιδιότητες και ένα στρώμα μαγνητικής επαγωγής από επαγωγικά πηνία χαλκού. Ανάμεσα στα δύο συστατικά βρίσκεται ένα πέμπτο στρώμα που περιέχει PDMS αναμεμειγμένο με μικρομαγνήτες, το οποίο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο.
Τα δύο εξαρτήματα - και πέντε στρώματα - της συσκευής της επιτρέπουν να μετατρέπει την κίνηση των μυών σε ηλεκτρικά σήματα τα οποία, με τη βοήθεια της μηχανικής μάθησης, μετατρέπονται τελικά σε σήματα ομιλίας και ακουστική φωνητική έκφραση. (Εικόνα: Jun Chen Lab/UCLA) Χρησιμοποιώντας έναν μαλακό μαγνητοελαστικό αισθητήριο μηχανισμό που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Chen το 2021 (Φύση Υλικά, «Γιγάντιο μαγνητοελαστικό αποτέλεσμα σε μαλακά συστήματα για βιοηλεκτρονική»), η συσκευή είναι σε θέση να ανιχνεύει αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο όταν αυτό μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα μηχανικών δυνάμεων — σε αυτή την περίπτωση, της κίνησης των μυών του λάρυγγα. Τα ενσωματωμένα σερπεντινικά επαγωγικά πηνία στα μαγνητοελαστικά στρώματα βοηθούν στη δημιουργία ηλεκτρικών σημάτων υψηλής πιστότητας για σκοπούς ανίχνευσης. Με μέγεθος 1.2 ίντσες σε κάθε πλευρά, η συσκευή ζυγίζει περίπου 7 γραμμάρια και έχει πάχος μόλις 0.06 ίντσες. Με βιοσυμβατή ταινία διπλής όψης, μπορεί εύκολα να προσκολληθεί στο λαιμό ενός ατόμου κοντά στη θέση των φωνητικών χορδών και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί εφαρμόζοντας ξανά ταινία όπως απαιτείται. Οι διαταραχές φωνής είναι διαδεδομένες σε όλες τις ηλικίες και τις δημογραφικές 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 και φωνητική θεραπεία, η ανάκτηση φωνής μπορεί να εκτείνεται από τρεις μήνες έως ένα χρόνο, με ορισμένες επεμβατικές τεχνικές να απαιτούν σημαντική περίοδο υποχρεωτικής μετεγχειρητικής φωνητικής ανάπαυσης. «Οι υπάρχουσες λύσεις όπως οι φορητές συσκευές ηλεκτρολάρυγγα και οι διαδικασίες τραχειοοισοφαγικής παρακέντησης μπορεί να είναι άβολες, επεμβατικές ή άβολες», δήλωσε ο Chen, ο οποίος ηγείται της Wearable Bioelectronics Research Group στο UCLA, και έχει ονομαστεί ένας από τους πιο δημοφιλείς ερευνητές στον κόσμο πέντε χρόνια το μια σειρά. «Αυτή η νέα συσκευή παρουσιάζει μια φορητή, μη επεμβατική επιλογή ικανή να βοηθήσει τους ασθενείς στην επικοινωνία κατά την περίοδο πριν από τη θεραπεία και κατά τη διάρκεια της περιόδου αποκατάστασης μετά τη θεραπεία για φωνητικές διαταραχές».
Η φορητή τεχνολογία έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι αρκετά ευέλικτη ώστε να κινείται και να καταγράφει τη δραστηριότητα των μυών του λάρυγγα κάτω από το δέρμα. (Εικόνα: Jun Chen Lab/UCLA)
Πώς η μηχανική μάθηση επιτρέπει την τεχνολογία φορητών συσκευών
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 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 — φωναχτά και χωρίς φωνή — συμπεριλαμβανομένης της «Γεια, Ρέιτσελ, πώς είσαι σήμερα;» και σ 'αγαπώ!" Η συνολική ακρίβεια πρόβλεψης του μοντέλου ήταν 94.68%, με το φωνητικό σήμα των συμμετεχόντων να ενισχύεται από το στοιχείο ενεργοποίησης, δείχνοντας ότι ο αισθητήριος μηχανισμός αναγνώριζε το σήμα κίνησης του λάρυγγα και ταίριαζε με την αντίστοιχη πρόταση που ήθελαν να πουν οι συμμετέχοντες. Στο εξής, η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να συνεχίσει να διευρύνει το λεξιλόγιο της συσκευής μέσω της μηχανικής μάθησης και να το δοκιμάσει σε άτομα με διαταραχές ομιλίας.
Τα δύο εξαρτήματα - και πέντε στρώματα - της συσκευής της επιτρέπουν να μετατρέπει την κίνηση των μυών σε ηλεκτρικά σήματα τα οποία, με τη βοήθεια της μηχανικής μάθησης, μετατρέπονται τελικά σε σήματα ομιλίας και ακουστική φωνητική έκφραση. (Εικόνα: Jun Chen Lab/UCLA) Χρησιμοποιώντας έναν μαλακό μαγνητοελαστικό αισθητήριο μηχανισμό που αναπτύχθηκε από την ομάδα του Chen το 2021 (Φύση Υλικά, «Γιγάντιο μαγνητοελαστικό αποτέλεσμα σε μαλακά συστήματα για βιοηλεκτρονική»), η συσκευή είναι σε θέση να ανιχνεύει αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο όταν αυτό μεταβάλλεται ως αποτέλεσμα μηχανικών δυνάμεων — σε αυτή την περίπτωση, της κίνησης των μυών του λάρυγγα. Τα ενσωματωμένα σερπεντινικά επαγωγικά πηνία στα μαγνητοελαστικά στρώματα βοηθούν στη δημιουργία ηλεκτρικών σημάτων υψηλής πιστότητας για σκοπούς ανίχνευσης. Με μέγεθος 1.2 ίντσες σε κάθε πλευρά, η συσκευή ζυγίζει περίπου 7 γραμμάρια και έχει πάχος μόλις 0.06 ίντσες. Με βιοσυμβατή ταινία διπλής όψης, μπορεί εύκολα να προσκολληθεί στο λαιμό ενός ατόμου κοντά στη θέση των φωνητικών χορδών και μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί εφαρμόζοντας ξανά ταινία όπως απαιτείται. Οι διαταραχές φωνής είναι διαδεδομένες σε όλες τις ηλικίες και τις δημογραφικές 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 και φωνητική θεραπεία, η ανάκτηση φωνής μπορεί να εκτείνεται από τρεις μήνες έως ένα χρόνο, με ορισμένες επεμβατικές τεχνικές να απαιτούν σημαντική περίοδο υποχρεωτικής μετεγχειρητικής φωνητικής ανάπαυσης. «Οι υπάρχουσες λύσεις όπως οι φορητές συσκευές ηλεκτρολάρυγγα και οι διαδικασίες τραχειοοισοφαγικής παρακέντησης μπορεί να είναι άβολες, επεμβατικές ή άβολες», δήλωσε ο Chen, ο οποίος ηγείται της Wearable Bioelectronics Research Group στο UCLA, και έχει ονομαστεί ένας από τους πιο δημοφιλείς ερευνητές στον κόσμο πέντε χρόνια το μια σειρά. «Αυτή η νέα συσκευή παρουσιάζει μια φορητή, μη επεμβατική επιλογή ικανή να βοηθήσει τους ασθενείς στην επικοινωνία κατά την περίοδο πριν από τη θεραπεία και κατά τη διάρκεια της περιόδου αποκατάστασης μετά τη θεραπεία για φωνητικές διαταραχές».
Η φορητή τεχνολογία έχει σχεδιαστεί ώστε να είναι αρκετά ευέλικτη ώστε να κινείται και να καταγράφει τη δραστηριότητα των μυών του λάρυγγα κάτω από το δέρμα. (Εικόνα: Jun Chen Lab/UCLA)
Πώς η μηχανική μάθηση επιτρέπει την τεχνολογία φορητών συσκευών
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 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 — φωναχτά και χωρίς φωνή — συμπεριλαμβανομένης της «Γεια, Ρέιτσελ, πώς είσαι σήμερα;» και σ 'αγαπώ!" Η συνολική ακρίβεια πρόβλεψης του μοντέλου ήταν 94.68%, με το φωνητικό σήμα των συμμετεχόντων να ενισχύεται από το στοιχείο ενεργοποίησης, δείχνοντας ότι ο αισθητήριος μηχανισμός αναγνώριζε το σήμα κίνησης του λάρυγγα και ταίριαζε με την αντίστοιχη πρόταση που ήθελαν να πουν οι συμμετέχοντες. Στο εξής, η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει να συνεχίσει να διευρύνει το λεξιλόγιο της συσκευής μέσω της μηχανικής μάθησης και να το δοκιμάσει σε άτομα με διαταραχές ομιλίας.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64863.php
