אנשים הסובלים מהפרעות קול, כולל אלו עם מיתרי קול פתולוגיים או המתאוששים מניתוחי סרטן הגרון, יכולים לעתים קרובות להתקשות או בלתי אפשריים לדבר. זה עשוי להשתנות בקרוב.
צוות מהנדסי UCLA המציא מכשיר רך, דק ונמתח בגודל של קצת יותר מ-1 אינץ' מרובע שניתן לחבר לעור מחוץ לגרון כדי לעזור לאנשים עם מיתרי קול לא מתפקדים להחזיר את תפקוד הקול שלהם. התקדמותם מפורטת השבוע בכתב העת תקשורת טבע.
המערכת הביו-חשמלית החדשה, שפותחה על ידי ג'ון צ'ן, עוזר פרופסור לביו-הנדסה בבית הספר להנדסה UCLA Samueli, ועמיתיו, מסוגלת לזהות תנועה בשרירי הגרון של אדם ולתרגם אותות אלו לדיבור נשמע בעזרת מכונה- לימוד טכנולוגיה -; עם דיוק של כמעט 95%.
פריצת הדרך היא האחרונה במאמצים של חן לעזור לאנשים עם מוגבלויות. הצוות שלו פיתח בעבר כפפה לבישה המסוגלת לתרגם את שפת הסימנים האמריקאית לדיבור באנגלית בזמן אמת כדי לעזור למשתמשי ASL לתקשר עם אלה שאינם יודעים לחתום.
המכשיר הקטנטן דמוי התיקון מורכב משני רכיבים. האחד, רכיב חישה המופעל מעצמו, מזהה וממיר אותות שנוצרו על ידי תנועות שרירים לאותות חשמליים בעלי נאמנות גבוהה הניתנים לניתוח; האותות החשמליים הללו מתורגמים לאחר מכן לאותות דיבור באמצעות אלגוריתם למידת מכונה. השני, רכיב הפעלה, הופך את אותות הדיבור לביטוי הקול הרצוי.
שני הרכיבים מכילים כל אחד שתי שכבות: שכבה של תרכובת סיליקון תואמת ביולוגית polydimethylsiloxane, או PDMS, בעלת תכונות אלסטיות, ושכבת אינדוקציה מגנטית עשויה סלילי אינדוקציה נחושת. בין שני הרכיבים מוצמדת שכבה חמישית המכילה PDMS מעורבב עם מיקרומגנטים, אשר יוצר שדה מגנטי.
תוך שימוש במנגנון חישה מגנואלסטי רך שפותח על ידי הצוות של חן בשנת 2021, המכשיר מסוגל לזהות שינויים בשדה המגנטי כאשר הוא משתנה כתוצאה מכוחות מכניים -; במקרה זה, התנועה של שרירי הגרון. סלילי האינדוקציה הסרפנטין המוטבעים בשכבות המגנו-אלסטיות עוזרים ליצור אותות חשמליים בעלי נאמנות גבוהה למטרות חישה.
גודלו של 1.2 אינץ' בכל צד, משקל המכשיר הוא כ-7 גרם ועוביו רק 0.06 אינץ'. עם סרט תואם ביולוגי דו צדדי, זה יכול להיצמד בקלות לגרון של אדם ליד המיקום של מיתרי הקול וניתן לעשות בו שימוש חוזר על ידי הדבקה מחדש של סרט לפי הצורך.
הפרעות קול נפוצות בכל הגילאים ובכל הקבוצות הדמוגרפיות; מחקר הראה שכמעט 30% מהאנשים יחוו לפחות הפרעה אחת כזו במהלך חייהם. אולם עם גישות טיפוליות, כגון התערבויות כירורגיות וטיפול קולי, התאוששות קול יכולה להימשך משלושה חודשים לשנה, כאשר כמה טכניקות פולשניות דורשות תקופה משמעותית של מנוחה קולית חובה לאחר הניתוח.
"הפתרונות הקיימים כגון מכשירי אלקטרו-גרון כף יד והליכי ניקור קנה הנשימה יכולים להיות לא נוחים, פולשניים או לא נוחים", אמר צ'ן, שעומד בראש קבוצת המחקר Wearable Bioelectronics ב-UCLA, ונמנה כאחד החוקרים המצוטטים ביותר בעולם חמש שנים ב- שורה. "מכשיר חדש זה מציג אפשרות לבישה, לא פולשנית המסוגלת לסייע למטופלים בתקשורת במהלך התקופה שלפני הטיפול ובמהלך תקופת ההחלמה שלאחר הטיפול בהפרעות קול."
כיצד למידת מכונה מאפשרת את הטכנולוגיה הלבישה
בניסויים שלהם, החוקרים בדקו את הטכנולוגיה הלבישה על שמונה מבוגרים בריאים. הם אספו נתונים על תנועת שרירי הגרון והשתמשו באלגוריתם למידת מכונה כדי לתאם את האותות המתקבלים למילים מסוימות. לאחר מכן הם בחרו אות קולי פלט מתאים דרך רכיב ההפעלה של המכשיר.
צוות המחקר הדגים את דיוק המערכת בכך שהמשתתפים מבטאים חמישה משפטים -; גם בקול וגם ללא קול -; כולל "היי, רייצ'ל, מה שלומך היום?" ואני אוהב אותך!"
דיוק החיזוי הכולל של המודל היה 94.68%, כאשר האות הקולי של המשתתפים מוגבר על ידי רכיב ההפעלה, מה שמוכיח שמנגנון החישה זיהה את אות תנועת הגרון שלהם ותאם את המשפט המקביל שהמשתתפים רצו לומר.
בהמשך, צוות המחקר מתכנן להמשיך ולהגדיל את אוצר המילים של המכשיר באמצעות למידת מכונה ולבדוק אותו באנשים עם הפרעות דיבור.
מחברים נוספים של המאמר הם סטודנטים לתארים מתקדמים של UCLA Samueli Ziyuan Che, Chrystal Duan, Xiao Wan, Jing Xu ו-Tianqi Zheng -; כל חברי המעבדה של חן.
המחקר מומן על ידי המכונים הלאומיים לבריאות, המשרד האמריקאי לחקר הצי, איגוד הלב האמריקאי, הקרן לחקר מוח והתנהגות, המכון למדע קליני ותרגומי של UCLA ובית הספר להנדסה של UCLA Samueli.
