15 mars 2024 (Actualités Nanowerk) Les personnes souffrant de troubles de la voix, y compris celles souffrant de troubles pathologiques des cordes vocales ou qui se remettent d'une opération pour un cancer du larynx, peuvent souvent avoir du mal, voire de l'impossibilité, à parler. Cela pourrait bientôt changer. Une équipe d'ingénieurs de l'UCLA a inventé un appareil doux, fin et extensible mesurant un peu plus de 1 pouce carré qui peut être attaché à la peau à l'extérieur de la gorge pour aider les personnes souffrant de cordes vocales dysfonctionnelles à retrouver leur fonction vocale. Leur avancée est détaillée dans le journal Communications Nature (« Parler sans cordes vocales grâce à un système de détection-actionnement portable assisté par apprentissage automatique »). Le nouveau système bioélectrique, développé par Jun Chen, professeur adjoint de bio-ingénierie à la Samueli School of Engineering de l'UCLA, et ses collègues, est capable de détecter les mouvements des muscles du larynx d'une personne et de traduire ces signaux en parole audible avec l'aide d'une machine. technologie d’apprentissage – avec une précision de près de 95 %. Cette avancée est la dernière en date des efforts de Chen pour aider les personnes handicapées. Son équipe a précédemment développé un gant portable capable de traduire la langue des signes américaine en anglais en temps réel pour aider les utilisateurs de l'ASL à communiquer avec ceux qui ne savent pas signer. Le petit nouveau dispositif ressemblant à un patch est composé de deux composants. Le premier, un composant de détection auto-alimenté, détecte et convertit les signaux générés par les mouvements musculaires en signaux électriques analysables haute fidélité ; ces signaux électriques sont ensuite traduits en signaux vocaux à l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique. L'autre, un composant d'actionnement, transforme ces signaux vocaux en l'expression vocale souhaitée. Les deux composants contiennent chacun deux couches : une couche de composé silicone biocompatible polydiméthylsiloxane, ou PDMS, aux propriétés élastiques, et une couche d'induction magnétique constituée de bobines d'induction en cuivre. Entre les deux composants se trouve une cinquième couche contenant du PDMS mélangé à des micro-aimants, qui génère un champ magnétique.
Les deux composants – et cinq couches – de l'appareil lui permettent de transformer les mouvements musculaires en signaux électriques qui, grâce à l'apprentissage automatique, sont finalement convertis en signaux vocaux et en expression vocale audible. (Image : Jun Chen Lab/UCLA) Utilisation d'un mécanisme de détection magnétoélastique doux développé par l'équipe de Chen en 2021 (Nature Materials, "Effet magnétoélastique géant dans les systèmes mous pour la bioélectronique"), l'appareil est capable de détecter les modifications du champ magnétique lorsqu'il est modifié par des forces mécaniques – dans ce cas, le mouvement des muscles laryngés. Les bobines d'induction en serpentin intégrées dans les couches magnétoélastiques aident à générer des signaux électriques haute fidélité à des fins de détection. Mesurant 1.2 pouces de chaque côté, l'appareil pèse environ 7 grammes et ne mesure que 0.06 pouce d'épaisseur. Grâce au ruban biocompatible double face, il peut facilement adhérer à la gorge d'un individu à proximité de l'emplacement des cordes vocales et peut être réutilisé en réappliquant le ruban si nécessaire. Les troubles de la voix sont répandus à tous les âges et dans tous les groupes démographiques ; des recherches ont montré que près de 30 % des personnes souffriront d’au moins un de ces troubles au cours de leur vie. Pourtant, avec des approches thérapeutiques, telles que les interventions chirurgicales et la thérapie vocale, la récupération de la voix peut s'étendre de trois mois à un an, certaines techniques invasives nécessitant une période importante de repos vocal postopératoire obligatoire. "Les solutions existantes telles que les appareils électro-larynx portatifs et les procédures de ponction trachéo-œsophagienne peuvent être peu pratiques, invasives ou inconfortables", a déclaré Chen, qui dirige le groupe de recherche sur la bioélectronique portable à l'UCLA et a été nommé l'un des chercheurs les plus cités au monde il y a cinq ans. une rangée. « Ce nouvel appareil présente une option portable et non invasive, capable d'aider les patients à communiquer pendant la période précédant le traitement et pendant la période de récupération post-traitement pour les troubles de la voix. »
La technologie portable est conçue pour être suffisamment flexible pour suivre et capturer l'activité des muscles laryngés sous la peau. (Image : Laboratoire Jun Chen/UCLA)
Comment l'apprentissage automatique permet la technologie portable
Dans leurs expériences, les chercheurs ont testé la technologie portable sur huit adultes en bonne santé. Ils ont collecté des données sur les mouvements des muscles laryngés et utilisé un algorithme d’apprentissage automatique pour corréler les signaux résultants à certains mots. Ils ont ensuite sélectionné un signal vocal de sortie correspondant via le composant d'actionnement de l'appareil. L'équipe de recherche a démontré l'exactitude du système en demandant aux participants de prononcer cinq phrases, à voix haute et sans voix, dont « Salut, Rachel, comment vas-tu aujourd'hui ? » et je t'aime!" L'exactitude globale de prédiction du modèle était de 94.68 %, le signal vocal des participants étant amplifié par le composant d'actionnement, démontrant que le mécanisme de détection reconnaissait leur signal de mouvement laryngé et correspondait à la phrase correspondante que les participants souhaitaient prononcer. À l’avenir, l’équipe de recherche prévoit de continuer à élargir le vocabulaire de l’appareil grâce à l’apprentissage automatique et de le tester chez des personnes souffrant de troubles de la parole.
Les deux composants – et cinq couches – de l'appareil lui permettent de transformer les mouvements musculaires en signaux électriques qui, grâce à l'apprentissage automatique, sont finalement convertis en signaux vocaux et en expression vocale audible. (Image : Jun Chen Lab/UCLA) Utilisation d'un mécanisme de détection magnétoélastique doux développé par l'équipe de Chen en 2021 (Nature Materials, "Effet magnétoélastique géant dans les systèmes mous pour la bioélectronique"), l'appareil est capable de détecter les modifications du champ magnétique lorsqu'il est modifié par des forces mécaniques – dans ce cas, le mouvement des muscles laryngés. Les bobines d'induction en serpentin intégrées dans les couches magnétoélastiques aident à générer des signaux électriques haute fidélité à des fins de détection. Mesurant 1.2 pouces de chaque côté, l'appareil pèse environ 7 grammes et ne mesure que 0.06 pouce d'épaisseur. Grâce au ruban biocompatible double face, il peut facilement adhérer à la gorge d'un individu à proximité de l'emplacement des cordes vocales et peut être réutilisé en réappliquant le ruban si nécessaire. Les troubles de la voix sont répandus à tous les âges et dans tous les groupes démographiques ; des recherches ont montré que près de 30 % des personnes souffriront d’au moins un de ces troubles au cours de leur vie. Pourtant, avec des approches thérapeutiques, telles que les interventions chirurgicales et la thérapie vocale, la récupération de la voix peut s'étendre de trois mois à un an, certaines techniques invasives nécessitant une période importante de repos vocal postopératoire obligatoire. "Les solutions existantes telles que les appareils électro-larynx portatifs et les procédures de ponction trachéo-œsophagienne peuvent être peu pratiques, invasives ou inconfortables", a déclaré Chen, qui dirige le groupe de recherche sur la bioélectronique portable à l'UCLA et a été nommé l'un des chercheurs les plus cités au monde il y a cinq ans. une rangée. « Ce nouvel appareil présente une option portable et non invasive, capable d'aider les patients à communiquer pendant la période précédant le traitement et pendant la période de récupération post-traitement pour les troubles de la voix. »
La technologie portable est conçue pour être suffisamment flexible pour suivre et capturer l'activité des muscles laryngés sous la peau. (Image : Laboratoire Jun Chen/UCLA)
Comment l'apprentissage automatique permet la technologie portable
Dans leurs expériences, les chercheurs ont testé la technologie portable sur huit adultes en bonne santé. Ils ont collecté des données sur les mouvements des muscles laryngés et utilisé un algorithme d’apprentissage automatique pour corréler les signaux résultants à certains mots. Ils ont ensuite sélectionné un signal vocal de sortie correspondant via le composant d'actionnement de l'appareil. L'équipe de recherche a démontré l'exactitude du système en demandant aux participants de prononcer cinq phrases, à voix haute et sans voix, dont « Salut, Rachel, comment vas-tu aujourd'hui ? » et je t'aime!" L'exactitude globale de prédiction du modèle était de 94.68 %, le signal vocal des participants étant amplifié par le composant d'actionnement, démontrant que le mécanisme de détection reconnaissait leur signal de mouvement laryngé et correspondait à la phrase correspondante que les participants souhaitaient prononcer. À l’avenir, l’équipe de recherche prévoit de continuer à élargir le vocabulaire de l’appareil grâce à l’apprentissage automatique et de le tester chez des personnes souffrant de troubles de la parole.
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