人間の声に関わる障害を持つ人々、例えば病的な声帯の状態にある人や喉頭がんの手術から回復している人々は、話すことが困難、あるいは不可能であることがよくあります。しかし、その状況は近く変わるかもしれません。UCLAのエンジニアチームが、機能不全の声帯を持つ人々が声の機能を取り戻す助けとなる、柔らかく薄く伸縮性のある装置を発明しました。この装置はわずか1平方インチ以上の大きさで、喉の外側の皮膚に取り付けることができます。
この進歩は、2024年3月12日にNature Communicationsに詳述されました。オープンアクセスの論文は「Speaking Without Vocal Folds Using a Machine-Learning-Assisted Wearable Sensing-Actuation System（機械学習を助けとしたウェアラブル感知・作動システムを使用した声帯なしでの発話）」と題されています。
この新しい生体電気システムは、ジュン・チェン博士（Jun Chen, PhD）、UCLA Samueli School of Engineeringのバイオエンジニアリング助教授、および彼の同僚によって開発されました。このシステムは、人の喉頭筋の動きを検出し、それらの信号を機械学習技術の助けを借りて聞き取り可能な音声に変換することができ、その精度はほぼ95％に達します。
この画期的な発見は、障害を持つ人々を助けるためのチェン博士の最新の取り組みです。彼のチームは以前、アメリカ手話をリアルタイムで英語の音声に翻訳することができるウェアラブルな手袋を開発し、ASLを使用するユーザーが手話を知らない人々とコミュニケーションを取るのを助けました。
このウェアラブル技術は、皮膚の下にある喉頭筋の活動を捉えて追従できるほど柔軟に設計されています。
この小さな新しいパッチのような装置は、二つの部分から構成されています。一つ目の自己電力供給型感知コンポーネントは、筋肉の動きによって生成された信号を検出し、それらを高忠実度の解析可能な電気信号に変換します。
これらの電気信号は、その後、機械学習アルゴリズムを使用して音声信号に変換されます。もう一つの作動コンポーネントは、これらの音声信号を望ましい声の表現に変換します。
これら二つのコンポーネントはそれぞれ二層から成り立っています。一つは、伸縮性を持つバイオコンパチブルなシリコーン化合物であるポリジメチルシロキサン（PDMS）の層、もう一つは銅誘導コイルからなる磁気誘導層です。二つのコンポーネントの間には、PDMSと微小磁石を混合した第五の層が挟まれており、これが磁場を生成します。
チェン博士のチームによって2021年に開発された柔らかい磁気弾性感知機構を利用して、この装置は機械的力、この場合は喉頭筋の動きの結果として変化した磁場を検出することができます。磁気弾性層に埋め込まれた蛇行誘導コイルは、感知目的のための高忠実度電気信号を生成するのに役立ちます。
この装置は、各辺が1.2インチ、重さ約7グラム、厚さはわずか0.06インチです。両面のバイオコンパチブルテープを使用して、個人の喉の声帯の位置付近に簡単に貼り付けることができ、必要に応じてテープを再適用することで再使用することができます。
声の障害は、すべての年齢層や人口統計グループにわたって広く見られます。研究によると、ほぼ30％の人が一生に少なくとも一度はそのような障害を経験するとされています。しかし、手術介入や声のセラピーなどの治療アプローチを用いると、声の回復には3ヶ月から1年かかることがあり、一部の侵襲的な技術は、手術後に必須の声の休息期間を要することがあります。
「既存の解決策である手持ち式の電気喉頭装置や気管食道穿孔手術は、不便で侵襲的、または不快である可能性があります。この新しい装置は、治療前および治療後の回復期間中に患者がコミュニケーションを取るのを助ける、ウェアラブルで非侵襲的な選択肢を提示します。」とチェン博士は述べています。
彼はUCLAのWearable Bioelectronics Research Groupを率いており、5年連続で世界で最も多く引用された研究者の一人として名を連ねています。
この投稿は、Christine Wei-li Lee氏によって書かれたUCLAのリリースに基づいています。
写真：首に装着するウェアラブルデバイス。
[News release] [Nature Communications article]
