211service.com
Een tongvolgend kunstmatig strottenhoofd
Onderzoekers in Zuid-Afrika werken aan een nieuw soort kunstmatig strottenhoofd dat niet de raspende stem van bestaande apparaten zal hebben. Het systeem volgt het contact tussen de tong en het gehemelte om te bepalen welk woord er in de mond wordt geuit, en gebruikt een spraaksynthesizer om geluiden te genereren.
Contact maken: De palatometer in de bovenste afbeelding wordt normaal gesproken gebruikt bij logopedie. Onderzoekers in Zuid-Afrika trainen het apparaat om woorden te herkennen die worden uitgesproken door mensen bij wie het strottenhoofd is verwijderd. De ruimte-tijdgrafiek in de onderste afbeelding komt overeen met het tong-gehemelte-contactpatroon voor het woord geweest.
Volgens de Nationaal Kanker Instituut , worden elk jaar ongeveer 10.000 Amerikanen gediagnosticeerd met larynxkanker, en bij de meeste patiënten met gevorderde kanker moet hun stemkastje worden verwijderd.
Alle momenteel beschikbare apparaten produceren zo'n slecht geluid - het klinkt robotachtig of heeft een norse spreekstem, zegt Megan Russell, een promovendus aan de Universiteit van de Witwatersrand in Johannesburg, Zuid-Afrika. We voelden dat de technologie er was voor een kunstmatige gesynthetiseerde stemoplossing.
Het systeem maakt gebruik van een palatometer: een apparaat dat veel lijkt op een orthodontische plaat en normaal wordt gebruikt voor logopedie. Het apparaat, gemaakt door CompleetSpeech van Orem, UT, volgt het contact tussen de tong en het gehemelte met behulp van 118 ingebouwde aanraaksensoren. De software voor het kunstmatige strottenhoofd is geschreven door Russell en collega's van de University of the Witwatersrand. Hun werk wordt gepresenteerd op de Internationale conferentie over biomedische en farmaceutische technologie deze week in Singapore.
Om het apparaat te gebruiken, stopt een persoon de palatometer in haar mond en spreekt woorden normaal uit. Het systeem probeert die mondbewegingen in woorden te vertalen voordat ze worden gereproduceerd op een kleine geluidssynthesizer, misschien weggestopt in een borstzak.
Tot nu toe heeft Russell het systeem getraind om 50 veelvoorkomende Engelse woorden te herkennen door elk woord meerdere keren te zeggen met de palatometer in haar mond. De informatie kan worden weergegeven in een binaire ruimte-tijdgrafiek en in een database worden gezet. Elke keer dat de gebruiker spreekt, worden de contactpatronen vergeleken met de database om het juiste woord te identificeren.
Het team van Russell heeft het woordidentificatiesysteem getest met behulp van verschillende technieken. Eén benadering omvat het uitlijnen en middelen van de geproduceerde gegevens terwijl het apparaat wordt getraind voor een paar instanties van een woord om een sjabloon voor vergelijking te maken. Een ander vergelijkt kenmerken zoals het gebied van de dataplots in de grafiek en het zwaartepunt op de X- en Y-assen. Een stemsysteem vergelijkt de resultaten van geselecteerde methoden om te zien of er overeenstemming is. De onderzoekers hebben ook een voorspellend analysesysteem getest, dat rekening houdt met het laatste woord dat wordt uitgesproken om het volgende te helpen bepalen.
Russell zegt dat wanneer de stem- en voorspellende elementen worden gecombineerd, het systeem 94,14 procent van de tijd het juiste woord identificeert, hoewel dit geen woorden bevat die het systeem als onbekend classificeert en ervoor kiest om over te slaan. Russell zegt dat dit ongeveer 18 procent van de tijd gebeurt. Maar het kiezen van het verkeerde woord kan leiden tot een aantal zeer moeilijke sociale situaties, zegt Russell, dus het is het beste voor het systeem om onduidelijke woorden te verwerpen en te zwijgen.
Het team hoopt de lintkabels van de palatometer, die uit de mond van de gebruiker lopen, te elimineren en in plaats daarvan een systeem te creëren waarin gegevens draadloos van de palatometer naar een spraaksynthesizer worden verzonden. De groep moet ook het voorspellende analysesysteem verbeteren en de database met woorden uitbreiden.
Het team van Russell zal ook nog veel meer proefpersonen moeten testen, ook die zonder strottenhoofd, voordat het apparaat algemeen verkrijgbaar zou kunnen worden.
We zijn ook van plan om een zekere mate van door de gebruiker gecontroleerde modulatie van toonhoogte en volume te implementeren om een natuurlijker geluid te bereiken, zegt David Rubin, een adjunct-professor in elektrische en informatietechniek aan de Universiteit van Witwatersrand en een van Russells adviseurs op het gebied van projecteren. We willen bijvoorbeeld dat de gebruiker de typische opwaartse buiging in de stem kan bereiken bij het stellen van een vraag in vergelijking met het afleggen van een verklaring.
Het is ook belangrijk voor het team om de verwerkingssnelheid van het apparaat te verbeteren. Het duurt nu meer dan een seconde voordat het systeem het juiste woord identificeert en afspeelt. Uiteindelijk moet deze tijd worden teruggebracht tot minder dan 0,3 seconden om het voor waarnemers te laten lijken dat de lippen en stem van de persoon gesynchroniseerd zijn, zegt Russell.
Onderzoekers van de Universiteit van Hull in het VK onderzoeken een andere benadering van het probleem. Ze plaatsen magneten in de mond en deze om veranderingen in het magnetische veld rond de mond te meten die overeenkomen met beweging. Momenteel gebruiken de Hull-onderzoekers chirurgische lijm om zes magneten aan de lippen, keel en tong te bevestigen. Uiteindelijk zouden de magneten worden geïmplanteerd. We zijn nog aan het uitzoeken waar we ze het beste kunnen plaatsen, zegt James Gilbert , een hoofddocent in engineering aan Hull.
Net als het Witwatersrand-team hoopt de Hull-groep een groot deel van de bedrading te elimineren en de dataset uit te breiden. Momenteel kan het Hull-systeem slechts 10 woorden identificeren en kan de nauwkeurigheid variëren van 70 tot 100 procent.
Gilbert vraagt zich echter af of alle woorden ooit kunnen worden geïdentificeerd met behulp van een palatometer. De analysemethoden lijken redelijk, zegt hij, maar voegt eraan toe dat er voor sommige woorden zeer beperkt contact met het gehemelte is.
Het Witwatersrand-team is van mening dat het ontwerp superieur is omdat er geen chirurgische implantaten nodig zijn. Mocht het totale idee haalbaar blijken te zijn, dan hopen we overeenkomsten te kunnen sluiten met de bedrijven die bestaande systemen produceren om ons in staat te stellen verder te gaan met deze benadering van een kunstmatig strottenhoofd, zegt Rubin.