前言
該設(shè)備的尺寸略大于1平方英寸，可以幫助聲帶功能失調(diào)的人恢復(fù)語音功能。
（圖片來源：Jun Chen Lab, UCLA）
關(guān)鍵要點(diǎn)
1. 加州大學(xué)洛杉磯分校的生物工程師發(fā)明了一種薄而靈活的裝置，可以粘附在頸部，并將喉部的肌肉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為可聽見的語音。
2. 該設(shè)備通過機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練，以識(shí)別哪些肌肉運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于哪些單詞。
3. 對(duì)于因聲帶問題而失去說話能力的人來說，這種自供電技術(shù)可以作為一種非侵入性工具。
患有嗓音障礙的人，包括患有病理性聲帶疾病或正在從喉癌手術(shù)中恢復(fù)的人，通常會(huì)發(fā)現(xiàn)說話困難?，F(xiàn)在，這種情況可能會(huì)很快得到改變。
加州大學(xué)洛杉磯分校的一組工程師發(fā)明了一種柔軟、薄、有彈性的裝置，尺寸剛剛超過 1 平方英寸，可以附著在喉嚨外的皮膚上，幫助聲帶功能失調(diào)的人恢復(fù)發(fā)聲功能。他們的進(jìn)展上周在《自然通訊》雜志上進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
由加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院生物工程助理教授Jun Chen及其同事開發(fā)的新型生物電系統(tǒng)能夠檢測(cè)人喉部肌肉的運(yùn)動(dòng)，并在機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的幫助下將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為可聽見的語音 - 準(zhǔn)確率接近95%。
這一突破是為幫助殘疾人所做的最新努力。他的團(tuán)隊(duì)之前開發(fā)了一種可穿戴手套，能夠?qū)⒚绹终Z實(shí)時(shí)翻譯成英語語音，以幫助ASL用戶與那些不知道如何手語的人進(jìn)行交流。
這種微小的新型貼片狀設(shè)備由兩個(gè)組件組成。一種是自供電傳感組件，可檢測(cè)肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為高保真、可分析的電信號(hào); 然后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法將這些電信號(hào)轉(zhuǎn)換為語音信號(hào)。另一個(gè)是驅(qū)動(dòng)組件，將這些語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為所需的語音表達(dá)。
這兩個(gè)組件分別包含兩層：一層具有彈性的生物相容性有機(jī)硅化合物聚二甲基硅氧烷或PDMS，以及由銅感應(yīng)線圈制成的磁感應(yīng)層。夾在兩個(gè)組件之間的是第五層，其中包含與微磁體混合的PDMS，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)。
利用Chen團(tuán)隊(duì)在2021年開發(fā)的軟磁彈性傳感機(jī)制，該設(shè)備能夠檢測(cè)由于機(jī)械力（在這種情況下是喉部肌肉的運(yùn)動(dòng)）而改變的磁場(chǎng)變化。磁彈性層中嵌入的蛇形感應(yīng)線圈有助于產(chǎn)生用于傳感目的的高保真電信號(hào)。
該設(shè)備每邊長 1.2 英寸，重約 7 克，厚度僅為 0.06 英寸。使用雙面生物相容性膠帶，它可以很容易地粘附在聲帶位置附近的個(gè)人喉嚨上，并且可以根據(jù)需要通過重新粘貼膠帶來重復(fù)使用。
嗓音障礙在所有年齡段和人口群體中都很普遍; 研究表明，近 30% 的人一生中至少會(huì)經(jīng)歷一種此類疾病。然而，通過手術(shù)干預(yù)和語音治療等治療方法，聲音恢復(fù)可以從三個(gè)月到一年不等，一些侵入性技術(shù)需要相當(dāng)長的術(shù)后強(qiáng)制性語音休息時(shí)間。
可穿戴技術(shù)的設(shè)計(jì)足夠靈活，可以隨皮膚下喉部肌肉的活動(dòng)移動(dòng)并捕捉。（圖片來源：Jun Chen Lab, UCLA）
“現(xiàn)有的解決方案，如手持式電喉設(shè)備和氣管食管穿刺手術(shù)可能不方便，侵入性或不舒服。”加州大學(xué)洛杉磯分校可穿戴生物電子研究小組負(fù)責(zé)人Chen說，并連續(xù)五年被評(píng)為世界上被引用次數(shù)最多的研究人員之一。“這種新設(shè)備提供了一種可穿戴的非侵入性選擇，能夠幫助患者在治療前和治療后恢復(fù)期間進(jìn)行語音障礙的交流。
該設(shè)備的兩個(gè)組件和五層允許它將肌肉運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下，這些電信號(hào)最終被轉(zhuǎn)換為語音信號(hào)和可聽見的聲音表達(dá)。（圖片來源：Jun Chen Lab, UCLA）
機(jī)器學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)可穿戴技術(shù)
在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員在八名健康成年人身上測(cè)試了可穿戴技術(shù)。他們收集了有關(guān)喉部肌肉運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法將生成的信號(hào)與某些單詞相關(guān)聯(lián)。然后，他們通過設(shè)備的驅(qū)動(dòng)組件選擇相應(yīng)的輸出語音信號(hào)。
研究小組通過讓參與者大聲和無聲地發(fā)音五個(gè)句子來證明該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，包括“嗨，瑞秋，你今天過得怎么樣？”和“我愛你！”
該模型的整體預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率為94.68%，參與者的語音信號(hào)被驅(qū)動(dòng)組件放大，表明感知機(jī)制識(shí)別了他們的喉部運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并匹配了參與者希望說出的相應(yīng)句子。
展望未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)擴(kuò)大該設(shè)備的詞匯量，并在語言障礙患者中進(jìn)行測(cè)試。
該論文的其他作者是加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli的研究生Ziyuan Che，Chrystal Duan，Xiao Wan，Jing Xu和Tianqi Zheng，他們都是Chen實(shí)驗(yàn)室的成員。
該研究由美國國立衛(wèi)生研究院，美國海軍研究辦公室，美國心臟協(xié)會(huì)，大腦與行為研究基金會(huì)，加州大學(xué)洛杉磯分校臨床和轉(zhuǎn)化科學(xué)研究所以及加州大學(xué)洛杉磯分校薩繆利工程學(xué)院資助。
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