Primo dispositivo indossabile che rileva l’affaticamento vocale

 

 

Cantanti, politici, insegnanti, allenatori potrebbero beneficiare delle nuove tecnologie intelligenti.

 

 

I ricercatori della Northwestern University hanno sviluppato il primo dispositivo indossabile intelligente per monitorare continuamente quanto le persone usano la voce, avvisandole di un uso eccessivo prima che si verifichino affaticamento vocale e potenziali lesioni.

Il primo dispositivo wireless alimentato a batteria e gli algoritmi di accompagnamento potrebbero essere un punto di svolta per cantanti professionisti, insegnanti, politici, lavoratori dei call center, allenatori e chiunque si affidi alle loro voci per comunicare in modo efficace e guadagnarsi da vivere.

Potrebbe anche aiutare i medici a monitorare a distanza e continuamente i pazienti con disturbi della voce durante il loro trattamento.

Sviluppata da un team interdisciplinare di scienziati dei materiali, ingegneri biomedici, cantanti lirici e un logopedista, la ricerca alla base della nuova tecnologia sarà pubblicata durante la settimana del 20 febbraio su Proceedings of the National Academy of Sciences.

Il dispositivo morbido, flessibile, delle dimensioni di un francobollo aderisce comodamente alla parte superiore del torace per percepire le sottili vibrazioni associate al parlare e al canto.

Da lì, i dati acquisiti vengono istantaneamente trasmessi tramite Bluetooth allo smartphone o al tablet degli utenti, in modo che possano monitorare le loro attività vocali in tempo reale durante il giorno e misurare l’utilizzo vocale totale cumulativo.

Gli algoritmi di apprendimento automatico personalizzati distinguono la differenza tra parlare e cantare, consentendo ai cantanti di tracciare separatamente ogni attività.

Con l’app, gli utenti possono impostare le loro soglie vocali personalizzate. Quando si avvicinano a tale soglia, il loro smartphone, smartwatch o un dispositivo di accompagnamento situato al polso fornisce un feedback tattile in tempo reale come avviso. Quindi, possono riposare la voce.

“Il dispositivo misura con precisione l’ampiezza e la frequenza per parlare e cantare”, ha detto John A. Rogers della Northwestern, un pioniere della bioelettronica che ha guidato lo sviluppo del dispositivo.

“Questi due parametri sono molto importanti nel determinare il carico complessivo che si verifica sulle corde vocali. Essere consapevoli di questi parametri, sia in un dato istante che cumulativamente nel tempo, è essenziale per gestire modelli sani di vocalizzazione”.

“È facile per le persone dimenticare quanto usano la loro voce”, ha detto Theresa Brancaccio della Northwestern, esperta di voce che ha co-condotto lo studio.

“I cantanti classici esperti tendono ad essere più consapevoli del loro uso vocale perché hanno vissuto e imparato. Ma alcune persone – specialmente i cantanti con meno formazione o persone, come insegnanti, politici e allenatori sportivi, che devono parlare molto per il loro lavoro – spesso non si rendono conto di quanto lo stiano spingendo. Vogliamo dare loro una maggiore consapevolezza per aiutare a prevenire gli infortuni”.

Rogers è Louis Simpson e Kimberly Querrey Professor of Materials Science and Engineering, Biomedical Engineering and Neurological Surgery presso la McCormick School of Engineering e la Northwestern University Feinberg School of Medicine. È anche direttore del Querrey Simpson Institute for Bioelectronics. Illustre interprete operistica, mezzosoprano, Brancaccio è docente senior presso la Bienen School of Music della Northwestern, dove insegna canto e pedagogia vocale.

Per i milioni di persone che si guadagnano da vivere parlando o cantando, la stanchezza vocale è una minaccia costante e incombente.

La condizione si verifica quando le corde vocali abusate si gonfiano, rendendo la voce rozza e perdendo resistenza.

L’affaticamento vocale influisce negativamente sui cantanti, in particolare, alterando le loro capacità di cantare chiaramente o colpire le stesse note della loro voce sana.

Nella migliore delle ipotesi, un breve periodo di affaticamento vocale può interrompere brevemente i piani di un cantante. Nel peggiore dei casi, può portare a danni sufficienti a far deragliare una carriera.

La mancanza di consapevolezza è il problema di fondo. Le persone raramente fanno la connessione tra le attività vocali e il modo in cui tali attività influenzano le loro voci.

Sebbene uno su 13 adulti statunitensi abbia sperimentato affaticamento vocale, la maggior parte delle persone non si accorge di abusare delle proprie voci fino a quando la raucedine non si è già instaurata.

Come sostenitrice della salute vocale, Brancaccio ha trascorso decenni esplorando modi per mantenere i suoi studenti consapevoli di quanto usano le loro voci.

Separatamente, Rogers, in collaborazione con i ricercatori dello Shirley Ryan AbilityLab, aveva sviluppato un dispositivo indossabile wireless per tracciare la deglutizione e il linguaggio nei pazienti colpiti da ictus.

Il sensore simile a una benda misura le capacità di deglutizione e i modelli di linguaggio per monitorare i processi di recupero dei pazienti colpiti da ictus.

Nelle prime settimane della pandemia di COVID-19, il team di Rogers ha modificato la tecnologia per monitorare la tosse, come sintomo chiave della malattia.

“Volevo raccogliere più dati e rendere il nostro sistema di tracciamento più preciso e più accurato”, ha detto Brancaccio. “Quindi, ho contattato John per vedere se i suoi sensori potevano aiutarci a raccogliere più informazioni”.

“Ho pensato che fosse una grande opportunità per noi estendere le nostre tecnologie oltre i nostri usi molto importanti, ma strettamente mirati, nell’assistenza sanitaria a qualcosa che potrebbe catturare una popolazione più ampia di utenti”, ha detto Rogers. “Chiunque usi ampiamente la propria voce potrebbe trarne beneficio.”

La coppia ha anche collaborato con il logopedista ed esperto di voce Aaron M. Johnson per esplorare come i dispositivi potrebbero essere utilizzati per valutare e monitorare il trattamento per i pazienti con disturbi vocali.

Johnson, che co-dirige il NYU Langone’s Voice Center, ha detto che il piccolo dispositivo wireless potrebbe aiutare a tracciare le voci dei pazienti nel mondo reale, al di fuori di un ambiente clinico.

“Questo dispositivo consentirà ai pazienti e ai loro medici di comprendere i modelli di utilizzo della voce e apportare modifiche alla domanda vocale per ridurre l’affaticamento vocale e accelerare il recupero dai disturbi della voce. Generalizzare le tecniche vocali e gli esercizi dalle sessioni di terapia alla vita quotidiana è uno degli aspetti più impegnativi della terapia vocale e questo dispositivo potrebbe migliorare notevolmente questo processo”.

Il team ha modificato i dispositivi esistenti di Rogers per misurare con precisione il carico vocale nel tempo. Ciò include frequenza, volume, ampiezza, durata e ora del giorno.

Come i precedenti dispositivi di Rogers per pazienti COVID-19 e ictus, il nuovo dispositivo rileva anche le vibrazioni piuttosto che registrare l’audio. Ciò consente al dispositivo di rilevare con precisione l’attività vocale da parte dell’utente, piuttosto che il rumore ambientale che li circonda.

La sfida più grande è stata quella di sviluppare algoritmi in grado di distinguere il parlare dal canto. Per superare questa sfida, Brancaccio ha reclutato studenti di canto e opera per intraprendere una serie di esercizi di canto per addestrare gli algoritmi di apprendimento automatico.

Un team di cantanti classici con diverse gamme vocali – che variano dal basso al soprano – indossava i dispositivi mentre canticchiava, cantava scale staccate e canzoni, leggeva e altro ancora. Ogni cantante ha generato 2.500 finestre di canto lunghe un secondo e 2.500 finestre di un secondo di conversazione.

L’algoritmo risultante può separare il canto dal parlare con una precisione superiore al 95%. E, quando viene utilizzato in un ambiente corale, il dispositivo acquisisce solo i dati da chi lo indossa e non il rumore dei cantanti vicini.

“Parlare a lungo è una delle attività più faticose per le persone che si stanno allenando per diventare cantanti professionisti”, ha detto Brancaccio.

“Separando il canto e il parlare, può aiutare le persone a sviluppare una maggiore consapevolezza su quanto stanno parlando. Ci sono prove che anche brevi periodi di 15-20 minuti di silenzio totale intervallati durante il giorno possono aiutare i tessuti delle corde vocali a recuperare e riparare”.

Per utilizzare il dispositivo, chi lo indossa deve semplicemente aderirlo allo sterno, sotto il collo, e sincronizzare il dispositivo con l’app di accompagnamento.

Simile per dimensioni e forma a un orologio da polso, questo dispositivo tattile include più motori che possono attivarsi in diversi modelli e con diversi livelli di intensità per trasmettere messaggi diversi. Gli utenti possono anche monitorare un display grafico all’interno dell’app, che divide le informazioni in categorie di conversazione e canto.

“Utilizza il Bluetooth, quindi può parlare con qualsiasi dispositivo che abbia un motore tattile incorporato”, ha detto Rogers. “Quindi, non devi usare il nostro braccialetto. Potresti semplicemente sfruttare un orologio intelligente standard per il feedback tattile. “

Sebbene esistano altri dispositivi di monitoraggio vocale, questi utilizzano grandi collari, fili di legatura e attrezzature ingombranti. Alcuni utilizzano anche microfoni incorporati per acquisire dati vocali udibili, portando a problemi di privacy.

“Questi non funzionano per il monitoraggio continuo in un ambiente reale”, ha detto Brancaccio. “Invece di indossare ingombranti apparecchiature cablate, posso attaccarmi a questo dispositivo morbido e indossabile. Una volta acceso, non me ne accorgo nemmeno. È super leggero e facile.”

Poiché i dispositivi precedenti di Rogers catturano la temperatura corporea, la frequenza cardiaca e l’attività respiratoria, i ricercatori hanno incluso tali funzionalità nel dispositivo di monitoraggio vocale. Credono che questi dati aggiuntivi aiuteranno a esplorare le questioni di ricerca fondamentali riguardanti l’affaticamento vocale.

“Questo è più speculativo, ma potrebbe essere interessante vedere come l’attività fisica influisce sull’affaticamento vocale”, ha detto Rogers. “Se qualcuno balla mentre canta, è più stressante sulle corde vocali rispetto a qualcuno che non si sta esercitando fisicamente? Questi sono i tipi di domande che possiamo porre e a cui possiamo rispondere quantitativamente”.

Foto: Northwestern University