彈性貼片技術可幫助嗓音受損的人再次說話

JUN CHEN LAB/UCLA

對許多人來說，不會說話是一個重大問題：2014年，一項針對美國發(fā)聲障礙的研究發(fā)現，近1800萬成年人難以使用聲道說話。據悉，一種新的非侵入性可穿戴設備提供了一種可能的方式來滿足這種醫(yī)療需求。

這項技術由一塊貼在人們脖子上的輕質貼片組成，該貼片可以測量人的頸部運動 —— 通過使用人工智能讀取喉嚨肌肉的運動并將其轉化為語音，幫助語音障礙患者再次說話。

“Similar to how the material converts muscle movements into electricity, it can also induce electricity as an input signal into mechanical vibrations in the device that produce sound.”

—JUN CHEN, UCLA

由加州大學洛杉磯分校生物醫(yī)學工程助理教授Jun Chen領導的研究團隊創(chuàng)造了這種靈活、電磁響應的可穿戴設備，可以測量頸部肌肉的細微運動。這項技術可以使患有聲帶麻痹等損傷和疾病的人受益，也可以使那些接受過喉切除術等手術的人受益。喉切除術是切除含有振動肌肉的喉部，需要切除一個人的部分或全部聲帶。

目前的原型人工智能模型還存在一些限制，八名沒有語音障礙的志愿者被要求同時說話和輕聲說出五句話，包括：“嗨，你今天過得怎么樣？”；“希望你的實驗進展順利！”；“圣誕快樂”；“我愛你”或“我不信任你”。

無聲的醫(yī)學技術選項

這種新設備加入了其他治療聲帶疾病的醫(yī)療技術，如人工喉頭等，它們可以振動頸部，重現失去的聲帶運動。加州大學洛杉磯分校所研發(fā)的貼片以不同的方式處理這個問題，將用戶無聲的頸部肌肉活動轉換為計算機生成的語音。

醫(yī)療設備公司Atos medical的臨床教育家Barbara Messing博士與加州大學洛杉磯分校的項目無關，她說，新方法是對輔助語音設備領域的一個可喜的補充：“我們能幫助患者的東西越多越好，”Messing說，“Voice prosthese是喉部切除患者的黃金標準，但并不是每個患者都這樣。為患者提供更多選擇只會有助于提高他們的生活質量，這也是我們所有人都想要的?！?/p>

為了讓用戶的非本地化語音聽得見，該設備將誘導的肌肉運動信號傳遞給運行在外部處理器上的機器學習模型。該模型被訓練來檢測與固定數量的預定義句子相對應的肌肉運動模式。當它檢測到其中一個短語時，處理器就會像揚聲器一樣通過振動貼片表面來回放句子。Chen說：“類似于這種材料將肌肉運動轉化為電能的方式，它還可以將電作為輸入信號誘導為設備中的機械振動，從而產生聲音。”

JUN CHEN LAB/UCLA

制作貼片

該系統(tǒng)的咽喉貼片應用了Chen團隊的新材料科學研究，該研究利用了一種稱為磁彈性的特性，即材料的磁場強度隨著材料的拉伸和壓縮而變化。有規(guī)律的日?；顒雍皖i部運動會拉伸貼片，導致磁場變化，然后通過內置的柔性感應線圈進行測量。這些材料協(xié)同工作，被動感知用戶頸部肌肉的微小3D運動。

盡管自19世紀以來，人們就在金屬材料中觀察到了磁電效應，但這種材料的硬度使生物學應用變得困難，包括測量人頸部肌肉的收縮和擴張。Chen的團隊已經找到了一種方法，通過將較硬的磁彈性材料顆粒嵌入柔性聚合物片中，使具有很強彈性的材料具有磁彈性。

這種新型磁彈性材料的靈活性使其能夠附著并準確跟蹤用戶頸部肌肉的運動，而以前已知的磁彈性材料制成的類似傳感器無法做到這一點。為了進一步提高其靈敏度，該小組將材料成型為基里加米圖案（kirigami patter）——一種類似折紙的允許切割的造紙工藝——這使得傳感器在較小的拉伸和偏轉下表現均勻。

Chen說，今后，該小組將致力于將他們的研究成果轉化為醫(yī)療設備：“未來，我們希望優(yōu)化設備，并規(guī)范大規(guī)模生產的制造程序。我們必須改進軟件和硬件，增加翻譯詞匯和準確性，使設備更人性化。所有這些問題都需要逐一解決。”Chen估計，該研究小組將在“3-5年內”生產出一種可行的醫(yī)療設備。

本月早些時候，研究人員在《自然通訊》雜志上發(fā)表了他們的研究（https://www.nature.com/articles/s41467-024-45915-7）。