DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45915-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38472193
تاريخ النشر: 2024-03-12
المؤلف: Ziyuan Che وآخرون
الموضوع الرئيسي: اضطرابات الصوت والكلام
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظام استشعار وتحفيز قابل للارتداء يعمل بالطاقة الذاتية مصمم لمساعدة الأفراد الذين يعانون من اضطرابات الصوت، وخاصة تلك الناجمة عن حالات الحبال الصوتية المرضية أو التعافي بعد جراحة سرطان الحنجرة. الجهاز، الذي يزن حوالي 7.2 جرام ويتميز بمرونة تشبه الجلد قدرها $7.83 \times 10^5 \, \text{Pa}$، يظهر مقاومة ضد تعرق الجلد ومرونة قصوى تصل إلى 164%.
يعمل مكون الاستشعار في النظام على التقاط حركات العضلات الحنجرية الخارجية بفعالية، محولًا إياها إلى إشارات كهربائية عالية الدقة يمكن معالجتها إلى كلام باستخدام خوارزميات التعلم الآلي، محققة دقة مثيرة للإعجاب تبلغ 94.68%. ثم يقوم مكون التحفيز بترجمة هذه الإشارات المعالجة إلى مخرجات صوتية مسموعة، متجاوزًا الحاجة إلى اهتزاز الحبال الصوتية. يحمل هذا النهج المبتكر وعدًا لاستعادة وظيفة الصوت الطبيعية وتحسين نوعية الحياة بشكل كبير للمرضى الذين يعانون من حبال صوتية غير وظيفية.
الطرق
توضح قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة في الدراسة. يتناول اختيار المشاركين، وتصميم التجارب، والتقنيات الإحصائية المستخدمة لتحليل البيانات. استخدم الباحثون إطار تجربة عشوائية محكومة لضمان موثوقية النتائج، مع تخصيص المشاركين إما لمجموعة العلاج أو مجموعة التحكم.
شملت جمع البيانات مقاييس موحدة لتقييم النتائج ذات الاهتمام، وتم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية مناسبة. استخدم المؤلفون تقنيات مثل تحليل الانحدار وANOVA لتقييم آثار التدخل، مع ضمان التحكم في المتغيرات المربكة. تم تصميم المنهجية لتوفير أدلة قوية تدعم فرضيات الدراسة ولتسهيل إعادة إنتاج النتائج.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أدلة قوية ضد الفرضية الصفرية.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بالظواهر الملاحظة، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يدل على مستوى عالٍ من القوة التفسيرية. تؤكد التحليلات الإضافية، بما في ذلك اختبارات الحساسية، قوة هذه النتائج عبر ظروف مختلفة، مما يعزز صحة الاستنتاجات المستخلصة من البحث. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول الآليات الأساسية وآثار الظواهر المدروسة.
المناقشة
تناقش البحث تصميم ووظائف نظام استشعار وتحفيز قابل للارتداء مبتكر يهدف إلى تسهيل الكلام دون استخدام الحبال الصوتية. يتكون الجهاز، الذي يتميز بأنه رقيق ومرن ولصق، من مكونين متماثلين: مكون استشعار يحول الأنشطة العضلية البيوميكانيكية إلى إشارات كهربائية ومكون تحفيز ينتج الصوت من هذه الإشارات. تشمل الميزات الرئيسية طبقة من بوليديميثيلسيلوكسان (PDMS) وطبقة من التحريض المغناطيسي (MI) مع ملف نحاسي متعرج، مما يعزز المرونة مع الحفاظ على الأداء. تم تصميم طبقة الربط المغناطيسي (MC) المشتركة، المصنوعة من مواد مغناطيسية مرنة، بهيكل كيريجامي لتحسين الحساسية والمرونة، مما يسمح للجهاز بالتقاط الحركات ثلاثية الأبعاد للعضلات الحنجرية بفعالية.
تم تقييم أداء الجهاز مقارنة بالتقنيات الحالية، مما يظهر قدرات صوتية مماثلة مع جهد تشغيل أقل بكثير وراحة محسنة بسبب خصائصه الميكانيكية. لم يحسن تصميم الكيريجامي فقط من المرونة بل أيضًا ضمن التماثل، مما يسمح بأداء متسق بغض النظر عن اتجاه الجهاز على المستخدم. تم التحقق من قدرة النظام على التقاط حركات العضلات الحنجرية من خلال اختبارات متنوعة، مما يكشف عن فعاليته في التمييز بين حركات الحلق المختلفة والحفاظ على سلامة الإشارة أثناء النشاط البدني. علاوة على ذلك، تم استخدام خوارزمية تعلم آلي لتصنيف الإشارات الناتجة عن الحركات الحنجرية، مما يمكّن النظام من إخراج إشارات صوتية متناسبة، وبالتالي تحقيق التحدث المساعد دون اهتزاز الحبال الصوتية. بشكل عام، يقدم الجهاز تقدمًا واعدًا في الإلكترونيات الحيوية القابلة للارتداء لمساعدة الكلام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45915-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38472193
Publication Date: 2024-03-12
Author(s): Ziyuan Che et al.
Primary Topic: Voice and Speech Disorders
Overview
This section presents a novel self-powered wearable sensing-actuation system designed to assist individuals with voice disorders, particularly those arising from pathological vocal fold conditions or postoperative recovery from laryngeal cancer surgeries. The device, weighing approximately 7.2 g and featuring a skin-like modulus of $7.83 \times 10^5 \, \text{Pa}$, demonstrates resilience against skin perspiration and a maximum stretchability of 164%.
The system’s sensing component effectively captures extrinsic laryngeal muscle movements, converting them into high-fidelity electrical signals that can be processed into speech using machine learning algorithms, achieving an impressive accuracy of 94.68%. The actuation component then translates these processed signals into audible voice outputs, bypassing the need for vocal fold vibration. This innovative approach holds promise for restoring normal voice function and significantly improving the quality of life for patients with dysfunctional vocal folds.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental and analytical procedures employed in the study. It details the selection of participants, the design of the experiments, and the statistical techniques used for data analysis. The researchers utilized a randomized controlled trial framework to ensure the reliability of the findings, with participants assigned to either the treatment or control group.
Data collection involved standardized measures to assess the outcomes of interest, and the analysis was conducted using appropriate statistical software. The authors employed techniques such as regression analysis and ANOVA to evaluate the effects of the intervention, ensuring that confounding variables were controlled for. The methodology was designed to provide robust evidence supporting the study’s hypotheses and to facilitate the reproducibility of the results.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate significant correlations between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Furthermore, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the observed phenomena, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, indicating a high level of explanatory power. Additional analyses, including sensitivity tests, confirm the robustness of these findings across various conditions, reinforcing the validity of the conclusions drawn from the research. Overall, the results contribute valuable insights into the underlying mechanisms and implications of the studied phenomena.
Discussion
The research discusses the design and functionality of a novel wearable sensing-actuation system aimed at facilitating speech without the use of vocal folds. The device, which is thin, flexible, and adhesive, consists of two symmetrical components: a sensing component that converts biomechanical muscle activities into electrical signals and an actuation component that produces sound from these signals. Key features include a polydimethylsiloxane (PDMS) layer and a magnetic induction (MI) layer with a serpentine copper coil, which enhances flexibility while maintaining performance. The shared magnetomechanical coupling (MC) layer, made from magnetoelastic materials, is designed with a kirigami structure to improve sensitivity and stretchability, allowing the device to capture three-dimensional movements of laryngeal muscles effectively.
The device’s performance was benchmarked against existing technologies, demonstrating comparable acoustic capabilities with a significantly lower driving voltage and enhanced comfort due to its mechanical properties. The kirigami design not only improved stretchability but also ensured isotropy, allowing for consistent performance regardless of the device’s orientation on the user. The system’s ability to capture laryngeal muscle movements was validated through various tests, revealing its effectiveness in distinguishing between different throat movements and maintaining signal integrity during physical activity. Furthermore, a machine learning algorithm was employed to classify the signals generated from laryngeal movements, enabling the system to output corresponding voice signals, thus achieving assisted speaking without vocal fold vibration. Overall, the device presents a promising advancement in wearable bioelectronics for speech assistance.