Команда инженеров Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе представила устройство, которое может существенно помочь людям с такими нарушениями голоса, как патологические состояния голосовых связок или послеоперационные состояния после удаления рака гортани.
Устройство представляет собой мягкое, тонкое и эластичное устройство площадью немного больше квадратного дюйма. Оно может быть прикреплено к коже рядом с местом расположения голосовых связок, имеет высокую точность и способно вернуть функцию речи для людей с дисфункциональными голосовыми связками. Исследование, рассказывающее об этом изобретении, было опубликовано на прошлой неделе в журнале Nature Communications.
Главный исследователь, Джун Чен, доцент кафедры биоинженерии Инженерной школы Калифорнийского университета, вместе со своей командой разработал биоэлектрическую систему, которая способна регистрировать движение мышц гортани и преобразовывать эти сигналы в речь с точностью, приближенной к 95%. Устройство состоит из двух компонентов — чувствительного и исполнительного.
Чувствительный компонент устройства оснащён автономной системой питания и предназначен для обнаружения и преобразования сигналов, которые генерируются движениями мышц гортани. Он преобразует эти движения в электрические сигналы, которые затем анализируются и преобразуются в речевые сигналы с использованием алгоритма машинного обучения. Исполнительный компонент, в свою очередь, преобразует эти речевые сигналы в голосовое выражение.
Каждый из двух компонентов устройства содержит слой биосовместимого силиконового соединения полидиметилсилоксана (ПДМС) с эластичными свойствами и слой медных индукционных катушек. Между двумя компонентами находится слой, содержащий ПДМС, смешанный с микромагнитами, который генерирует необходимое магнитное поле.
Устройство имеет габариты около 3 сантиметров по каждой стороне, весит около 7 граммов и имеет толщину 0,15 сантиметров. Благодаря двусторонней биосовместимой ленте, устройство легко крпится к горлу рядом с местом расположения голосовых связок. Чип можно использовать повторно, наклеивая по мере необходимости.
В экспериментах исследователи протестировали технологию на восьми здоровых взрослых. Они собрали данные о движении мышц гортани и использовали алгоритм машинного обучения, чтобы сопоставить сигналы с определёнными словами. Затем они выбрали соответствующий выходной голосовой сигнал через исполнительный компонент устройства. Исследовательская группа проверяла точность системы, предложив участникам произнести пять предложений — как вслух, так и беззвучно.
Общая точность модели составила 94,68%, при этом голосовой сигнал усиливался активационным компонентом, демонстрируя, что сенсорный механизм распознавал сигнал движения гортани и соответствовал соответствующему предложению, которое участники хотели сказать.
Подобное устройство станет полезным для людей с нарушениями голоса, которые встречаются в разных возрастных группах и демографических категориях. Исследования показали, что около 30% людей сталкиваются с подобными расстройствами хотя бы один раз в жизни. Стандартные методы лечения, такие как хирургические вмешательства и голосовая терапия, обычно требуют длительного времени для восстановления голоса, которое может занимать от нескольких месяцев до года. Новое устройство с высокой точностью воспроизводит голосовые сигналы и может стать прорывом в реабилитации людей с нарушениями голоса.
В дальнейшем исследовательская группа планирует расширять словарный запас устройства посредством машинного обучения и тестировать его на людях с нарушениями речи.