15 de marzo de 2024 (Noticias de Nanowerk) Las personas con trastornos de la voz, incluidas aquellas con afecciones patológicas de las cuerdas vocales o que se están recuperando de cirugías de cáncer de laringe, a menudo pueden tener dificultad o imposibilidad de hablar. Eso puede cambiar pronto. Un equipo de ingenieros de UCLA ha inventado un dispositivo suave, delgado y elástico que mide poco más de 1 pulgada cuadrada y que se puede colocar en la piel fuera de la garganta para ayudar a las personas con cuerdas vocales disfuncionales a recuperar la función de la voz. Su avance se detalla en la revista. Nature Communications ("Hablar sin cuerdas vocales utilizando un sistema de detección y actuación portátil asistido por aprendizaje automático"). El nuevo sistema bioeléctrico, desarrollado por Jun Chen, profesor asistente de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA, y sus colegas, es capaz de detectar el movimiento en los músculos de la laringe de una persona y traducir esas señales en habla audible con la ayuda de máquinas. tecnología de aprendizaje, con casi un 95% de precisión. El avance es el último en los esfuerzos de Chen para ayudar a las personas con discapacidades. Su equipo desarrolló previamente un guante portátil capaz de traducir el lenguaje de señas americano al inglés en tiempo real para ayudar a los usuarios de ASL a comunicarse con aquellos que no saben señas. El pequeño y nuevo dispositivo parecido a un parche se compone de dos componentes. Uno, un componente sensor autoalimentado, detecta y convierte señales generadas por movimientos musculares en señales eléctricas analizables de alta fidelidad; Estas señales eléctricas luego se traducen en señales de voz mediante un algoritmo de aprendizaje automático. El otro, un componente de actuación, convierte esas señales del habla en la expresión de voz deseada. Cada uno de los dos componentes contiene dos capas: una capa de compuesto de silicona biocompatible polidimetilsiloxano, o PDMS, con propiedades elásticas, y una capa de inducción magnética hecha de bobinas de inducción de cobre. Intercalada entre los dos componentes hay una quinta capa que contiene PDMS mezclado con microimanes, que genera un campo magnético.
Los dos componentes (y cinco capas) del dispositivo le permiten convertir el movimiento muscular en señales eléctricas que, con la ayuda del aprendizaje automático, finalmente se convierten en señales del habla y expresión vocal audible. (Imagen: Jun Chen Lab/UCLA) Utilizando un mecanismo de detección magnetoelástico suave desarrollado por el equipo de Chen en 2021 (Nature Materials, “Efecto magnetoelástico gigante en sistemas blandos para bioelectrónica”), el dispositivo es capaz de detectar cambios en el campo magnético cuando éste se altera como resultado de fuerzas mecánicas, en este caso el movimiento de los músculos laríngeos. Las bobinas de inducción serpentinas integradas en las capas magnetoelásticas ayudan a generar señales eléctricas de alta fidelidad con fines de detección. El dispositivo mide 1.2 pulgadas de cada lado, pesa alrededor de 7 gramos y tiene solo 0.06 pulgadas de grosor. Con la cinta biocompatible de doble cara, se puede adherir fácilmente a la garganta de una persona cerca de la ubicación de las cuerdas vocales y se puede reutilizar volviendo a aplicar la cinta según sea necesario. Los trastornos de la voz prevalecen en todas las edades y grupos demográficos; Las investigaciones han demostrado que casi el 30% de las personas experimentarán al menos uno de estos trastornos a lo largo de su vida. Sin embargo, con enfoques terapéuticos, como las intervenciones quirúrgicas y la terapia de la voz, la recuperación de la voz puede durar de tres meses a un año, y algunas técnicas invasivas requieren un período significativo de reposo de la voz posoperatorio obligatorio. "Las soluciones existentes, como los dispositivos portátiles de electrolaringe y los procedimientos de punción traqueoesofágica, pueden ser inconvenientes, invasivos o incómodos", dijo Chen, quien dirige el Grupo de Investigación de Bioelectrónica Portátil en UCLA, y ha sido nombrado uno de los investigadores más citados del mundo cinco años en una fila. "Este nuevo dispositivo presenta una opción portátil y no invasiva capaz de ayudar a los pacientes a comunicarse durante el período previo al tratamiento y durante el período de recuperación posterior al tratamiento de los trastornos de la voz".
La tecnología portátil está diseñada para ser lo suficientemente flexible como para moverse y capturar la actividad de los músculos laríngeos debajo de la piel. (Imagen: Laboratorio Jun Chen/UCLA)
Cómo el aprendizaje automático permite la tecnología portátil
En sus experimentos, los investigadores probaron la tecnología portátil en ocho adultos sanos. Recolectaron datos sobre el movimiento de los músculos laríngeos y utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para correlacionar las señales resultantes con ciertas palabras. Luego seleccionaron una señal de voz de salida correspondiente a través del componente de actuación del dispositivo. El equipo de investigación demostró la precisión del sistema haciendo que los participantes pronunciaran cinco oraciones, tanto en voz alta como en silencio, incluyendo "Hola, Rachel, ¿cómo estás hoy?" ¡y te amo!" La precisión de predicción general del modelo fue del 94.68%, con la señal de voz de los participantes amplificada por el componente de actuación, lo que demuestra que el mecanismo de detección reconoció su señal de movimiento laríngeo y coincidió con la oración correspondiente que los participantes deseaban decir. En el futuro, el equipo de investigación planea seguir ampliando el vocabulario del dispositivo mediante el aprendizaje automático y probarlo en personas con trastornos del habla.
Los dos componentes (y cinco capas) del dispositivo le permiten convertir el movimiento muscular en señales eléctricas que, con la ayuda del aprendizaje automático, finalmente se convierten en señales del habla y expresión vocal audible. (Imagen: Jun Chen Lab/UCLA) Utilizando un mecanismo de detección magnetoelástico suave desarrollado por el equipo de Chen en 2021 (Nature Materials, “Efecto magnetoelástico gigante en sistemas blandos para bioelectrónica”), el dispositivo es capaz de detectar cambios en el campo magnético cuando éste se altera como resultado de fuerzas mecánicas, en este caso el movimiento de los músculos laríngeos. Las bobinas de inducción serpentinas integradas en las capas magnetoelásticas ayudan a generar señales eléctricas de alta fidelidad con fines de detección. El dispositivo mide 1.2 pulgadas de cada lado, pesa alrededor de 7 gramos y tiene solo 0.06 pulgadas de grosor. Con la cinta biocompatible de doble cara, se puede adherir fácilmente a la garganta de una persona cerca de la ubicación de las cuerdas vocales y se puede reutilizar volviendo a aplicar la cinta según sea necesario. Los trastornos de la voz prevalecen en todas las edades y grupos demográficos; Las investigaciones han demostrado que casi el 30% de las personas experimentarán al menos uno de estos trastornos a lo largo de su vida. Sin embargo, con enfoques terapéuticos, como las intervenciones quirúrgicas y la terapia de la voz, la recuperación de la voz puede durar de tres meses a un año, y algunas técnicas invasivas requieren un período significativo de reposo de la voz posoperatorio obligatorio. "Las soluciones existentes, como los dispositivos portátiles de electrolaringe y los procedimientos de punción traqueoesofágica, pueden ser inconvenientes, invasivos o incómodos", dijo Chen, quien dirige el Grupo de Investigación de Bioelectrónica Portátil en UCLA, y ha sido nombrado uno de los investigadores más citados del mundo cinco años en una fila. "Este nuevo dispositivo presenta una opción portátil y no invasiva capaz de ayudar a los pacientes a comunicarse durante el período previo al tratamiento y durante el período de recuperación posterior al tratamiento de los trastornos de la voz".
La tecnología portátil está diseñada para ser lo suficientemente flexible como para moverse y capturar la actividad de los músculos laríngeos debajo de la piel. (Imagen: Laboratorio Jun Chen/UCLA)
Cómo el aprendizaje automático permite la tecnología portátil
En sus experimentos, los investigadores probaron la tecnología portátil en ocho adultos sanos. Recolectaron datos sobre el movimiento de los músculos laríngeos y utilizaron un algoritmo de aprendizaje automático para correlacionar las señales resultantes con ciertas palabras. Luego seleccionaron una señal de voz de salida correspondiente a través del componente de actuación del dispositivo. El equipo de investigación demostró la precisión del sistema haciendo que los participantes pronunciaran cinco oraciones, tanto en voz alta como en silencio, incluyendo "Hola, Rachel, ¿cómo estás hoy?" ¡y te amo!" La precisión de predicción general del modelo fue del 94.68%, con la señal de voz de los participantes amplificada por el componente de actuación, lo que demuestra que el mecanismo de detección reconoció su señal de movimiento laríngeo y coincidió con la oración correspondiente que los participantes deseaban decir. En el futuro, el equipo de investigación planea seguir ampliando el vocabulario del dispositivo mediante el aprendizaje automático y probarlo en personas con trastornos del habla.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64863.php
