Le persone con disturbi della voce, compresi quelli con condizioni patologiche delle corde vocali o che si stanno riprendendo da interventi chirurgici per cancro alla laringe, spesso possono avere difficoltà o impossibilità a parlare. La situazione potrebbe presto cambiare.
Il team di ingegneri dell’Università della California, Los Angeles (UCLA) ha inventato un dispositivo morbido, sottile ed elastico che misura poco più di 6,45 cm² e può essere attaccato alla pelle all’altezza della gola per aiutare le persone con corde vocali disfunzionali a ritrovare la funzione vocale.
La ricerca è stata finanziata dal National Institutes of Health, dall’U.S. Office of Naval Research, dall’American Heart Association, dalla Brain & Behavior Research Foundation, dall’UCLA Clinical and Translational Science Institute e dalla UCLA Samueli School of Engineering.
Il nuovo dispositivo bioelettrico, sviluppato da Jun Chen, assistente professore di bioingegneria presso la UCLA Samueli School of Engineering, e dai suoi colleghi, come hanno riportato nella rivista Nature Communications, è in grado di rilevare il movimento nei muscoli della laringe di una persona, e con l’assistenza della tecnologia di apprendimento automatico, di tradurre quei segnali in un discorso udibile con una precisione di quasi il 95%.
Jun Chen è impegnato a aiutare le persone con disabilità, in precedenza, il suo team ha sviluppato un guanto indossabile in grado di tradurre in tempo reale il linguaggio dei segni americano per aiutare le persone a comunicare con coloro che non conoscono il linguaggio dei segni.
Il nuovo minuscolo dispositivo simile a un cerotto è composto da due componenti. Il primo, un componente di rilevamento autoalimentato, rileva e converte i segnali generati dai movimenti muscolari in segnali elettrici analizzabili ad alta fedeltà, questi segnali elettrici vengono poi tradotti in segnali vocali utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico. L’altro, un componente di attuazione, trasforma i segnali vocali nella desiderata espressione vocale.
I due componenti contengono ciascuno due strati: uno strato di composto siliconico biocompatibile polidimetilsilossano, o PDMS, con proprietà elastiche, e uno strato di induzione magnetica costituito da bobine di induzione in rame. Tra i due componenti si trova un quinto strato contenente PDMS mescolato a micromagneti, che genera un campo magnetico.
Il dispositivo utilizzando un meccanismo di rilevamento magnetoelastico morbido sviluppato dal team di Jun Chen nel 2021, è in grado di rilevare le variazioni del campo magnetico quando viene alterato a causa di forze meccaniche, in questo caso, il movimento dei muscoli laringei. Le bobine di induzione a serpentina incorporate negli strati magnetoelastici, contribuiscono a generare segnali elettrici ad alta fedeltà per il rilevamento.
Il dispositivo misura 3,5 centimetri per lato, pesa circa 7 grammi ed è spesso appena 0,1524 centimetri, grazie al nastro biadesivo biocompatibile, può facilmente aderire alla gola di un individuo vicino alla posizione delle corde vocali e può essere riutilizzato riapplicandolo quando necessario.
I disturbi della voce sono diffusi a tutte le età e in tutti i gruppi demografici, la ricerca ha dimostrato che quasi il 30% delle persone sperimenterà almeno un disturbo di questo tipo nel corso della propria vita. Tuttavia, con procedimenti terapeutici, come gli interventi chirurgici e la terapia vocale, il recupero della voce può durare da tre mesi a un anno, con alcune tecniche invasive che richiedono, obbligatorio, un periodo significativo di riposo vocale post-operatorio.
Jun Chen dirige il Wearable Bioelectronics Research Group dell’UCLA, è stato nominato per cinque anni consecutivi uno dei ricercatori più citati al mondo ha affermato:
«Le soluzioni esistenti, come i dispositivi elettro-laringei portatili e le procedure di puntura tracheo-esofagea, possono essere scomode, invasive o fastidiose. Il nuovo dispositivo rappresenta un’opzione indossabile e non invasiva, in grado di aiutare i pazienti a comunicare durante il periodo precedente al trattamento, e durante il periodo di recupero post-trattamento per i disturbi della voce».
Ecco come l’apprendimento automatico abilita la tecnologia indossabile
I ricercatori nei loro esperimenti hanno testato la tecnologia indossabile su otto adulti sani. Hanno raccolto dati sul movimento dei muscoli laringei e hanno utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico per correlare i segnali risultanti a determinate parole. Hanno poi selezionato un corrispondente segnale vocale in uscita attraverso il componente di attuazione del dispositivo.
Il team di ricerca ha dimostrato l’accuratezza del sistema facendo pronunciare ai partecipanti cinque frasi – sia ad alta voce sia senza voce – tra cui “Ciao, Rachel, come stai oggi?” e “Ti amo!”.
L’accuratezza complessiva della previsione del modello è stata del 94,68%, con il segnale vocale dei partecipanti amplificato dal componente di attuazione, dimostrando che il meccanismo di rilevamento ha riconosciuto il loro segnale di movimento laringeo, e ha abbinato la frase corrispondente che i partecipanti volevano pronunciare.
Il team di ricerca in futuro, attraverso l’apprendimento automatico, prevede di continuare ad ampliare il vocabolario del dispositivo e di testarlo su persone con disturbi del linguaggio.
