彈性貼片技術(shù)可幫助嗓音受損的人再次說話

JUN CHEN LAB/UCLA

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

這項(xiàng)技術(shù)由一塊貼在人們脖子上的輕質(zhì)貼片組成，該貼片可以測(cè)量人的頸部運(yùn)動(dòng) —— 通過使用人工智能讀取喉嚨肌肉的運(yùn)動(dòng)并將其轉(zhuǎn)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(xué)洛杉磯分校生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Jun Chen領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了這種靈活、電磁響應(yīng)的可穿戴設(shè)備，可以測(cè)量頸部肌肉的細(xì)微運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)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(shù)等手術(shù)的人受益。喉切除術(shù)是切除含有振動(dòng)肌肉的喉部，需要切除一個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)進(jìn)展順利！”；“圣誕快樂”；“我愛你”或“我不信任你”。

無聲的醫(yī)學(xué)技術(shù)選項(xiàng)

這種新設(shè)備加入了其他治療聲帶疾病的醫(yī)療技術(shù)，如人工喉頭等，它們可以振動(dòng)頸部，重現(xiàn)失去的聲帶運(yùn)動(dòng)。加州大學(xué)洛杉磯分校所研發(fā)的貼片以不同的方式處理這個(gè)問題，將用戶無聲的頸部肌肉活動(dòng)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)生成的語音。

醫(yī)療設(shè)備公司Atos medical的臨床教育家Barbara Messing博士與加州大學(xué)洛杉磯分校的項(xiàng)目無關(guān)，她說，新方法是對(duì)輔助語音設(shè)備領(lǐng)域的一個(gè)可喜的補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)，但并不是每個(gè)患者都這樣。為患者提供更多選擇只會(huì)有助于提高他們的生活質(zhì)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(shè)備將誘導(dǎo)的肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)傳遞給運(yùn)行在外部處理器上的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。該模型被訓(xùn)練來檢測(cè)與固定數(shù)量的預(yù)定義句子相對(duì)應(yīng)的肌肉運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)它檢測(cè)到其中一個(gè)短語時(shí)，處理器就會(huì)像揚(yáng)聲器一樣通過振動(dòng)貼片表面來回放句子。Chen說：“類似于這種材料將肌肉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能的方式，它還可以將電作為輸入信號(hào)誘導(dǎo)為設(shè)備中的機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音。”

JUN CHEN LAB/UCLA

制作貼片

該系統(tǒng)的咽喉貼片應(yīng)用了Chen團(tuán)隊(duì)的新材料科學(xué)研究，該研究利用了一種稱為磁彈性的特性，即材料的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著材料的拉伸和壓縮而變化。有規(guī)律的日?；顒?dòng)和頸部運(yùn)動(dòng)會(huì)拉伸貼片，導(dǎo)致磁場(chǎng)變化，然后通過內(nèi)置的柔性感應(yīng)線圈進(jìn)行測(cè)量。這些材料協(xié)同工作，被動(dòng)感知用戶頸部肌肉的微小3D運(yùn)動(dòng)。

盡管自19世紀(jì)以來，人們就在金屬材料中觀察到了磁電效應(yīng)，但這種材料的硬度使生物學(xué)應(yīng)用變得困難，包括測(cè)量人頸部肌肉的收縮和擴(kuò)張。Chen的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)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(qiáng)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(zhǔn)確跟蹤用戶頸部肌肉的運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)。為了進(jìn)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(zhuǎn)下表現(xiàn)均勻。

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

本月早些時(shí)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）。