15 de março de 2024 (Notícias do Nanowerk) Pessoas com distúrbios de voz, incluindo aquelas com condições patológicas nas cordas vocais ou que estão se recuperando de cirurgias de câncer de laringe, muitas vezes podem ter dificuldade ou impossibilidade de falar. Isso pode mudar em breve. Uma equipe de engenheiros da UCLA inventou um dispositivo macio, fino e elástico, medindo pouco mais de 1 centímetros quadrados, que pode ser fixado à pele fora da garganta para ajudar pessoas com cordas vocais disfuncionais a recuperar a função vocal. Seu avanço é detalhado na revista Natureza das Comunicações (“Falar sem pregas vocais usando um sistema de atuação de detecção vestível assistido por aprendizado de máquina”). O novo sistema bioelétrico, desenvolvido por Jun Chen, professor assistente de bioengenharia na Escola de Engenharia Samueli da UCLA, e seus colegas, é capaz de detectar movimentos nos músculos da laringe de uma pessoa e traduzir esses sinais em fala audível com a ajuda de máquinas. tecnologia de aprendizagem - com quase 95% de precisão. O avanço é o mais recente nos esforços de Chen para ajudar as pessoas com deficiência. Sua equipe desenvolveu anteriormente uma luva vestível capaz de traduzir a linguagem de sinais americana para a fala em inglês em tempo real para ajudar os usuários de ASL a se comunicarem com aqueles que não sabem sinalizar. O minúsculo novo dispositivo semelhante a um patch é composto de dois componentes. Um, um componente de detecção autoalimentado, detecta e converte sinais gerados por movimentos musculares em sinais elétricos analisáveis de alta fidelidade; esses sinais elétricos são então traduzidos em sinais de fala usando um algoritmo de aprendizado de máquina. O outro, um componente de atuação, transforma esses sinais de fala na expressão de voz desejada. Cada um dos dois componentes contém duas camadas: uma camada de composto de silicone biocompatível polidimetilsiloxano, ou PDMS, com propriedades elásticas, e uma camada de indução magnética feita de bobinas de indução de cobre. Imprensada entre os dois componentes está uma quinta camada contendo PDMS misturado com microímãs, que gera um campo magnético.
Os dois componentes – e cinco camadas – do dispositivo permitem transformar o movimento muscular em sinais elétricos que, com a ajuda do aprendizado de máquina, são finalmente convertidos em sinais de fala e expressão vocal audível. (Imagem: Jun Chen Lab/UCLA) Utilizando um mecanismo de detecção magnetoelástica suave desenvolvido pela equipe de Chen em 2021 (Nature Materials, “Efeito magnetoelástico gigante em sistemas soft para bioeletrônica”), o aparelho é capaz de detectar alterações no campo magnético quando ele é alterado por forças mecânicas – no caso, a movimentação dos músculos laríngeos. As bobinas de indução serpentinas incorporadas nas camadas magnetoelásticas ajudam a gerar sinais elétricos de alta fidelidade para fins de detecção. Medindo 1.2 polegadas de cada lado, o dispositivo pesa cerca de 7 gramas e tem apenas 0.06 polegadas de espessura. Com fita dupla-face biocompatível, ela pode aderir facilmente à garganta de um indivíduo próximo ao local das cordas vocais e pode ser reutilizada reaplicando a fita conforme necessário. Os distúrbios de voz são prevalentes em todas as idades e grupos demográficos; pesquisas mostraram que quase 30% das pessoas experimentarão pelo menos um desses distúrbios durante a vida. No entanto, com abordagens terapêuticas, como intervenções cirúrgicas e terapia vocal, a recuperação da voz pode levar de três meses a um ano, com algumas técnicas invasivas exigindo um período significativo de repouso vocal pós-operatório obrigatório. “As soluções existentes, como dispositivos portáteis de eletrolaringe e procedimentos de punção traqueoesofágica, podem ser inconvenientes, invasivas ou desconfortáveis”, disse Chen, que lidera o Grupo de Pesquisa em Bioeletrônica Vestível da UCLA e foi nomeado um dos pesquisadores mais citados do mundo há cinco anos. uma fila. “Este novo dispositivo apresenta uma opção vestível e não invasiva, capaz de auxiliar os pacientes na comunicação durante o período anterior ao tratamento e durante o período de recuperação pós-tratamento para distúrbios de voz.”
A tecnologia vestível foi projetada para ser flexível o suficiente para se mover e capturar a atividade dos músculos laríngeos sob a pele. (Imagem: Laboratório Jun Chen/UCLA)
Como o aprendizado de máquina permite a tecnologia wearable
Em seus experimentos, os pesquisadores testaram a tecnologia vestível em oito adultos saudáveis. Eles coletaram dados sobre o movimento dos músculos laríngeos e usaram um algoritmo de aprendizado de máquina para correlacionar os sinais resultantes com certas palavras. Eles então selecionaram um sinal de voz de saída correspondente através do componente de atuação do dispositivo. A equipe de pesquisa demonstrou a precisão do sistema fazendo com que os participantes pronunciassem cinco frases – em voz alta e sem voz – incluindo “Oi, Rachel, como você está hoje?” e eu amo-te!" A precisão geral da predição do modelo foi de 94.68%, com o sinal de voz dos participantes amplificado pelo componente de atuação, demonstrando que o mecanismo de detecção reconheceu o sinal de movimento laríngeo e correspondeu à frase correspondente que os participantes desejavam dizer. No futuro, a equipe de pesquisa planeja continuar ampliando o vocabulário do dispositivo por meio de aprendizado de máquina e testá-lo em pessoas com distúrbios de fala.
Os dois componentes – e cinco camadas – do dispositivo permitem transformar o movimento muscular em sinais elétricos que, com a ajuda do aprendizado de máquina, são finalmente convertidos em sinais de fala e expressão vocal audível. (Imagem: Jun Chen Lab/UCLA) Utilizando um mecanismo de detecção magnetoelástica suave desenvolvido pela equipe de Chen em 2021 (Nature Materials, “Efeito magnetoelástico gigante em sistemas soft para bioeletrônica”), o aparelho é capaz de detectar alterações no campo magnético quando ele é alterado por forças mecânicas – no caso, a movimentação dos músculos laríngeos. As bobinas de indução serpentinas incorporadas nas camadas magnetoelásticas ajudam a gerar sinais elétricos de alta fidelidade para fins de detecção. Medindo 1.2 polegadas de cada lado, o dispositivo pesa cerca de 7 gramas e tem apenas 0.06 polegadas de espessura. Com fita dupla-face biocompatível, ela pode aderir facilmente à garganta de um indivíduo próximo ao local das cordas vocais e pode ser reutilizada reaplicando a fita conforme necessário. Os distúrbios de voz são prevalentes em todas as idades e grupos demográficos; pesquisas mostraram que quase 30% das pessoas experimentarão pelo menos um desses distúrbios durante a vida. No entanto, com abordagens terapêuticas, como intervenções cirúrgicas e terapia vocal, a recuperação da voz pode levar de três meses a um ano, com algumas técnicas invasivas exigindo um período significativo de repouso vocal pós-operatório obrigatório. “As soluções existentes, como dispositivos portáteis de eletrolaringe e procedimentos de punção traqueoesofágica, podem ser inconvenientes, invasivas ou desconfortáveis”, disse Chen, que lidera o Grupo de Pesquisa em Bioeletrônica Vestível da UCLA e foi nomeado um dos pesquisadores mais citados do mundo há cinco anos. uma fila. “Este novo dispositivo apresenta uma opção vestível e não invasiva, capaz de auxiliar os pacientes na comunicação durante o período anterior ao tratamento e durante o período de recuperação pós-tratamento para distúrbios de voz.”
A tecnologia vestível foi projetada para ser flexível o suficiente para se mover e capturar a atividade dos músculos laríngeos sob a pele. (Imagem: Laboratório Jun Chen/UCLA)
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Em seus experimentos, os pesquisadores testaram a tecnologia vestível em oito adultos saudáveis. Eles coletaram dados sobre o movimento dos músculos laríngeos e usaram um algoritmo de aprendizado de máquina para correlacionar os sinais resultantes com certas palavras. Eles então selecionaram um sinal de voz de saída correspondente através do componente de atuação do dispositivo. A equipe de pesquisa demonstrou a precisão do sistema fazendo com que os participantes pronunciassem cinco frases – em voz alta e sem voz – incluindo “Oi, Rachel, como você está hoje?” e eu amo-te!" A precisão geral da predição do modelo foi de 94.68%, com o sinal de voz dos participantes amplificado pelo componente de atuação, demonstrando que o mecanismo de detecção reconheceu o sinal de movimento laríngeo e correspondeu à frase correspondente que os participantes desejavam dizer. No futuro, a equipe de pesquisa planeja continuar ampliando o vocabulário do dispositivo por meio de aprendizado de máquina e testá-lo em pessoas com distúrbios de fala.
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64863.php
