患有声音障碍的人，包括患有病理性声带疾病或正在从喉癌手术中恢复的人，通常会发现很难或无法说话。这种情况可能很快就会改变。
加州大学洛杉矶分校的工程师团队发明了一种柔软、薄、有弹性的装置，尺寸仅超过1平方英寸，可以附着在喉咙外的皮肤上，帮助声带功能障碍的人恢复发声功能。本周《自然通讯》杂志详细介绍了他们的进展。
新的生物电系统由加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院生物工程助理教授陈军和他的同事开发，能够检测人喉部肌肉的运动，并在机器的帮助下将这些信号转化为可听语音。学习技术——准确率接近95%。
这一突破是陈为帮助残疾人所做的最新努力。他的团队此前开发了一款可穿戴手套，能够将美国手语实时翻译成英语语音，帮助ASL用户与不会手语的人进行交流。
这种微小的新型贴片状设备由两个组件组成。一是自供电传感组件，检测肌肉运动产生的信号并将其转换为高保真、可分析的电信号;然后使用机器学习算法将这些电信号转换为语音信号。另一个是驱动组件，将这些语音信号转换成所需的语音表达。
这两个组件各包含两层：一层具有弹性的生物相容性有机硅化合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)，以及一层由铜感应线圈制成的磁感应层。夹在两个组件之间的是第五层，其中含有与微磁体混合的PDMS，可产生磁场。
该设备利用Chen团队于2021年开发的软磁弹性传感机制，能够检测由于机械力(在本例中为喉部肌肉的运动)导致的磁场变化。磁弹性层中嵌入的蛇形感应线圈有助于生成用于传感目的的高保真电信号。
该设备每边尺寸为1.2英寸，重约7克，厚度仅为0.06英寸。使用双面生物相容性胶带，它可以轻松粘附在人的喉咙声带位置附近，并且可以根据需要重新粘贴胶带来重复使用。
声音障碍在所有年龄段和人口群体中都很普遍;研究表明，近30%的人一生中至少会经历一种此类疾病。然而，通过手术干预和发声治疗等治疗方法，发声恢复时间可以从三个月到一年，一些侵入性技术需要术后很长一段时间的强制性发声休息。
加州大学洛杉矶分校可穿戴生物电子学研究小组的负责人陈说：“手持式电喉设备和气管食管穿刺程序等现有解决方案可能不方便、具有侵入性或不舒服。”他在五年内被评为世界上被引用次数最多的研究人员之一。一排。“这款新设备提供了一种可穿戴、非侵入性的选择，能够帮助患者在治疗前和治疗后语音障碍恢复期间进行沟通。”
机器学习如何支持可穿戴技术
在实验中，研究人员在八名健康成年人身上测试了可穿戴技术。他们收集了喉部肌肉运动的数据，并使用机器学习算法将所得信号与某些单词相关联。然后他们通过设备的驱动组件选择相应的输出语音信号。
该设备的两个组件和五个层使其能够将肌肉运动转化为电信号，在机器学习的帮助下，电信号最终转换为语音信号和可听见的声音表达。图片来源：JunChen实验室/加州大学洛杉矶分校
研究小组通过让参与者大声和无声地发音五个句子来证明系统的准确性，其中包括“嗨，雷切尔，你今天过得怎么样?”我爱你!”
模型整体预测准确率为94.68%，参与者的语音信号被致动组件放大，表明传感机制识别了参与者的喉部运动信号，并匹配了参与者想要说的相应句子。
展望未来，研究团队计划继续通过机器学习扩大该设备的词汇量，并在患有言语障碍的人身上进行测试。
该论文的其他作者是加州大学洛杉矶分校Samueli研究生ZiyuanChe、ChrystalDuan、XiaoWan、JingXu和TianqiCheng，他们都是陈实验室的成员。
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