Говорить без голосовых связок

Людям с нарушениями голоса, в том числе с патологическими состояниями голосовых связок или восстанавливающимся после операций по удалению рака гортани, часто бывает трудно или невозможно говорить. Возможно, скоро ситуация изменится.

Команда инженеров Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе изобрела мягкое, тонкое, растягивающееся устройство размером чуть больше 2,5 см², которое можно прикрепить к коже снаружи горла, чтобы помочь людям с нарушенными голосовыми связками восстановить голосовую функцию. Об их достижении рассказывается в журнале Nature Communications.

Новая биоэлектрическая система способна обнаруживать движения мышц гортани человека и преобразовывать эти сигналы в слышимую речь с помощью технологии машинного обучения — с точностью почти 95%.

Носимая технология разработана таким образом, чтобы быть достаточно гибкой, чтобы двигаться вместе с мышцами гортани и улавливать их активность под кожей.

Крошечный патч состоит из двух компонентов. Один из них, сенсорный компонент с автономным питанием, обнаруживает и преобразует сигналы, генерируемые движениями мышц, в высокоточные электрические сигналы, поддающиеся анализу. Эти электрические сигналы затем преобразуются в речевые сигналы с помощью алгоритма машинного обучения. Другой компонент, исполнительный, превращает эти речевые сигналы в речь. 

Каждый из двух компонентов содержит два слоя: слой биосовместимого силиконового соединения полидиметилсилоксана, или PDMS, обладающего эластичными свойствами, и слой магнитной индукции, состоящий из медных индукционных катушек. Между этими двумя компонентами находится слой, содержащий PDMS, смешанный с микромагнитами, которые генерируют магнитное поле.

Используя мягкий магнитоупругий сенсорный механизм, устройство способно обнаруживать изменения в магнитном поле, когда оно изменяется в результате механических усилий — в данном случае, движения мышц гортани. Встроенные змеевидные индукционные катушки в магнитоупругих слоях помогают генерировать высокоточные электрические сигналы для целей зондирования.

Устройство размером 2,5 см с каждой стороны весит около 7 граммов и имеет толщину всего 1,5 мм. Благодаря двусторонней биосовместимой ленте оно легко приклеивается к горлу человека в районе расположения голосовых связок и может использоваться повторно при необходимости.

"Существующие решения, такие как портативные электроприборы для гортани и процедуры прокола трахеоэзофагеальной полости, могут быть неудобными, инвазивными и некомфортными, — говорит Цзюнь Чен, возглавляющий исследовательскую группу Wearable Bioelectronics в Калифорнийском университете. — Это новое устройство представляет собой носимый, неинвазивный вариант, способный помочь пациентам общаться в период до начала лечения и в период восстановления после лечения голосовых расстройств".

В своих экспериментах ученые протестировали носимую технологию на восьми здоровых взрослых людях. Исследовательская группа продемонстрировала точность системы, попросив участников произнести пять предложений — как вслух, так и без голоса, включая "Привет, Рейчел, как дела?" и "Я люблю тебя!".

Общая точность предсказания модели составила 94,68%, при этом голосовой сигнал участников был усилен компонентом активации, что свидетельствует, что сенсорный механизм распознал сигнал движения гортани и подобрал соответствующее предложение, которое участники хотели произнести.

В дальнейшем группа исследователей планирует продолжить расширение словарного запаса устройства с помощью машинного обучения и протестировать его на людях с нарушениями речи.