Una laringe artificiale che traccia la lingua

I ricercatori in Sudafrica stanno lavorando a un nuovo tipo di laringe artificiale che non avrà la voce roca dei dispositivi esistenti. Il sistema tiene traccia del contatto tra la lingua e il palato per determinare quale parola viene pronunciata e utilizza un sintetizzatore vocale per generare suoni.

Entrare in contatto: Il palatometro nell'immagine in alto viene normalmente utilizzato nella logopedia. I ricercatori in Sud Africa stanno addestrando il dispositivo a riconoscere le parole pronunciate da persone a cui è stata rimossa la laringe. Il grafico spazio-temporale nell'immagine in basso corrisponde al modello di contatto lingua-palato per la parola stato.

Secondo il Istituto Nazionale dei Tumori , ogni anno a circa 10.000 americani viene diagnosticato un cancro alla laringe e la maggior parte dei pazienti con cancro avanzato deve farsi rimuovere la laringe.

Tutti i dispositivi attualmente disponibili producono un suono così cattivo: suona robotico o ha una voce roca, dice Megan Russell, dottoranda presso il Università del Witwatersrand a Johannesburg, in Sudafrica. Sentivamo che la tecnologia era lì per una soluzione vocale sintetizzata artificiale.

Il sistema utilizza un palatometro: un dispositivo che assomiglia molto a una piastra ortodontica e viene normalmente utilizzato per la logopedia. Il dispositivo, realizzato da Discorso completo di Orem, UT, traccia il contatto tra la lingua e il palato utilizzando 118 sensori tattili incorporati. Il software per la laringe artificiale è stato scritto da Russell e dai colleghi dell'Università del Witwatersrand. Il loro lavoro viene presentato al Conferenza Internazionale sull'Ingegneria Biomedica e Farmaceutica questa settimana a Singapore.

Per utilizzare il dispositivo, una persona mette il palatometro in bocca e pronuncia le parole normalmente. Il sistema cerca di tradurre quei movimenti della bocca in parole prima di riprodurli su un piccolo sintetizzatore di suoni, magari infilato nel taschino di una camicia.

Finora, Russell ha addestrato il sistema a riconoscere 50 parole inglesi comuni pronunciando ogni parola più volte con il palatometro in bocca. Le informazioni possono essere rappresentate su un grafico spazio-temporale binario e inserite in un database. Ogni volta che l'utente parla, i modelli di contatto vengono confrontati con il database per identificare la parola corretta.

Il team di Russell ha testato il sistema di identificazione delle parole utilizzando una varietà di tecniche. Un approccio prevede l'allineamento e la media dei dati prodotti durante l'addestramento del dispositivo per alcune istanze di una parola per creare un modello per il confronto. Un altro confronta caratteristiche come l'area dei grafici dei dati sul grafico e il centro di massa sugli assi X e Y. Un sistema di voto confronta i risultati dei metodi selezionati per vedere se c'è accordo. I ricercatori hanno anche testato un sistema di analisi predittiva, che considera l'ultima parola pronunciata per aiutare a determinare la successiva.

Russell afferma che quando gli elementi di voto e predittivi vengono combinati, il sistema identifica la parola corretta il 94,14% delle volte, sebbene ciò non includa le parole che il sistema classifica come sconosciute e sceglie di saltare. Russell dice che succede circa il 18% delle volte. Ma scegliere la parola sbagliata potrebbe portare ad alcune situazioni sociali molto difficili, dice Russell, quindi è meglio che il sistema rifiuti le parole poco chiare e rimanga in silenzio.

Il team spera di eliminare i cavi a nastro del palatometro, che fuoriescono dalla bocca dell'utente, e creare invece un sistema in cui i dati vengono trasmessi in modalità wireless dal palatometro a un sintetizzatore vocale. Il gruppo deve anche migliorare il sistema di analisi predittiva ed espandere il database di parole.

Il team di Russell dovrà anche testare molti più soggetti, compresi quelli senza laringe, prima che il dispositivo possa diventare ampiamente disponibile.

Intendiamo anche implementare un grado di modulazione dell'altezza e del volume controllata dall'utente al fine di ottenere un suono più naturale, afferma David Rubin, professore a contratto di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università del Witwatersrand e uno dei consulenti di Russell sul progetto. Ad esempio, intendiamo che l'utente sia in grado di ottenere la tipica inflessione verso l'alto nella voce quando fa una domanda rispetto a fare una dichiarazione.

È anche importante che il team migliori la velocità di elaborazione del dispositivo. Ora il sistema impiega più di un secondo per identificare e riprodurre la parola corretta. In definitiva, questo tempo deve essere ridotto a meno di 0,3 secondi affinché agli osservatori sembri che le labbra e la voce della persona siano sincronizzate, dice Russell.

I ricercatori dell'Università di Hull nel Regno Unito stanno esplorando un approccio diverso al problema. Mettono magneti nella bocca e questi per misurare i cambiamenti nel campo magnetico intorno alla bocca che corrispondono al movimento. Attualmente, i ricercatori di Hull usano la colla chirurgica per fissare sei magneti alle labbra, alla gola e alla lingua. Alla fine, i magneti sarebbero stati impiantati. Stiamo ancora cercando di capire qual è il posto migliore per metterli, dice James Gilbert , un docente senior di ingegneria a Hull.

Come il team di Witwatersrand, il gruppo Hull spera di eliminare gran parte del cablaggio ed espandere il proprio set di dati. Attualmente, il sistema Hull può identificare solo 10 parole e la precisione può variare tra il 70 e il 100 percento.

Tuttavia, Gilbert si chiede se tutte le parole possano mai essere identificate usando un palatometro. I metodi di analisi sembrano ragionevoli, dice, ma aggiunge che per alcune parole il contatto con il palato è molto limitato.

Il team di Witwatersrand ritiene che il suo design sia superiore perché non richiede impianti chirurgici. Nel caso in cui l'idea generale si dimostri realizzabile, speriamo di poter stipulare accordi con le aziende che producono i sistemi esistenti per consentirci di andare avanti con questo approccio a una laringe artificiale, dice Rubin.

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