Hrdelní mikrofon piezoelektrickým jevem snímá kmity hrtanu rozvibrovaného zvukovými vlnami vydávanými hlasivkami. Kredit: Armedking.

Seznam všeho k čemu je nám hlas dobrý, by byl hodně dlouhý. Ne o moc kratší je i výčet toho, co nás o něj připravuje. Někdy to jsou výrůstky na hlasivkách zvané polypy, jindy lékařské zákroky a nemusí při nich jít ani o rakovinu. Vyznavači alkoholu a vdechování kouře si často tykají s keratózou - zbytněním tkáně vystýlající vnitřní stranu hrtanu. Uzlíky na hlasivkách si mnozí zaopatříme v práci z prachu a dráždivých látek. Málo se ví, že častým iniciátorem problémů s hlasivkami je i obyčejný reflux s nímž má problém čtvrtina Evropanů,... Někteří máme jen prostě smůlu s vrtošivými sudičkami genetiky. Jak těm zaslouženým z vlastní hlouposti, tak i těm nespravedlivým neduhům, jde stále víc naproti zhoršující se stav životního prostředí. Specialisté na dysfonii, jak se odborně specialistům na hlasivky říká, si na nedostatek klientů stěžovat nemohou. Když už je problém vážnější, moc toho nám ani oni nabídnout nemohou.

Pokud jsou hlasivky poškozené a nevydávají ani hlásku, problém slibuje vyřešit novinka v podobě náplasti. Na snímku je patrné, kam se umísťuje. Kedit: Jun Chen Lab/UCLA

Se zajímavou možností nápravy nyní přichází bioinženýři z Los Angeles. Jejich sedmigramové snímatelné zařízení se nalepuje na krk v místech, kam se přitlačuje takzvaný hrdelní mikrofon. I když ho to na první pohled také připomíná, nemá s ním nic společného. To co vídáme u tankistů a letců jsou mikrofony kontaktní a v naprosté většině se jedná o využití piezoelektrického jevu a podstatou je snímání a zesílení vlnění vylučovaného hlasivkami. Jenže u osob s nefunkčními hlasivkami se zvuku vznikajícího v hlasivkové štěrbině nedoberete a kde není co snímat, jsou všechny mikrofony akorát tak pro srandu králíkům.

Ilustrace nositelného snímacího a fonačního systému, který se přilepuje na krk. (b) Diagram jednotlivých vrstev zařízení. (c) Dva způsoby pohybu svalů. Expanze indukuje prodloužení v ose x a y. Kontrakce indukuje prodloužení v ose z . Odečítat vzorce svalových pohybu ve směru x, y (d) i z (e) zajišťuje struktura zvaná kirigami. Uvolnění svalu má za následek velký posun na osách x a y a menší deformaci v ose z , kontrakce má za následek jak deformaci ve směru x a y, tak expanzi na ose z . (f) Detailní znázornění změny magnetického pole způsobené magnetickými částicemi. Pro jednu část je změna úhlu mezi každou jednotlivou jednotkou struktury kirigami reprezentována φ . Na druhé straně samotná magnetická částice podléhá kroutícímu momentu způsobenému deformací aplikovanou na polymer (g), čímž dochází ke změně magnetického toku a následně i proudu v cívce. Fotografie přístroje ve stavu svalové expanze je zobrazena v (h)  osa x -, y , (i)  osa z  a ve stavu svalové kontrakce je znázorněna v (j)  osa x- , y , (k)  z -osa. Měřítko, 1 cm. Kredit: Jun Chen, Nature Communication 2024 https://www.nature.com/articles/s41467-024-45915-7

Šestice Američanů s ne zrovna americky znějícími jmény (Ziyuan Che , Xiao Wan , Jing Xu , Christal Duan , Tianqi Zheng a Jun Chen) se s problémem němých hlasivek vypořádala tím, že místo vlnění z hlasivek se zaměřila na biomechanické aktivity svalů. Tedy toho, co se za normálních okolností napíná a povoluje podle pokynů z mozku a co pak má za následek vyloudění požadovaného zvuku proudem vzduchu na hlasivkových vazech.

Novinka tedy těsným kontaktem neodečítá zvukové vibrace, ale trojrozměrné změny svalových kontrakcí převádí na elektrické signály. Náplast je takovým „dva v jednom“. Jedna její vrstva čte tvarové změny, druhá z přečtených kontrakcí zpracuje elektrický signál, aby byl schopný přeměny na řeč.

Tím, čím se zařízení lepí na kůži je plátek polydimethylsiloxanu o tloušťce 200 μm, Na něm je vrstva titěrných měděných cívek o průměru pouhých 67 μm. Ještě výš je magnetoelastická vrstva s mikromagnety a nad tou další vrstva indukčních cívek s krycí polydimethylsiloxanovou membránou. Důležitá je strukturovovanost náplasti do kirigami. Propůjčuje to jednotlivým prvkům vzájemnou pohyblivost ve třech osách deformace - ta zajišťuje onu schopnost modulace magnetických toků. V podstatě tedy jde o odezírání trojrozměrných změn na svalu a jejich „přepis“ do věrných elektrických signálů. Snímací komponenta je samonapájecí. Detekované signály algoritmus převede na řečové signály a až druhá, aktivační složka vše převádí na hlasový projev.

Problém se ukázal s personalizací nového zařízení. To proto, že nikdo nejsme dokonalý a k témuž výsledku si osvojujeme různé vzorce svalových kontrakcí. To vědce přivedlo až k žádosti o spolupráci s umělou inteligencí. Ta pomocí algoritmu schopného se učit z omylů problém nakonec přece jen vyřešila. Vedoucí kolektivu ale stále jisté zádrhele přiznává. Problém prý jim dělá Marek. Zvláště v kombinaci „Mark“ a „make“ (dělat). Jinak prý zařízení pracuje s 95% přesností.

Sluší se dodat, že zde popsaná novinka není jediným počinem, kterým se vědci snaží pomáhat pacientům neschopným se vyjádřit. Odlišnou cestou na to jde projekt Neuralink. Ten jde ve čtení signálů ještě dál. Respektive do větší hloubky a to doslova. Elonem Muskem iniciovaný směr má již svého prvního pacienta s čipem v mozku. Počítačovou myš ovládá pomocí myšlenek. Žel ověřování bezpečnosti zavádění čipů do mozku má trvat šest let. V budoucnu se o něm dočteme pod termínem PRIME. Ani Muskova snaha ale není ojedinělou. S elektrodami snímajícími toky mozkové proudy a snahou přetavit je do něčeho co obnovuje schopnost komunikace a pohybu, se doslova roztrhl pytel: Blackrock Neurotech, Clinatec, Precision, Onward,... Úspěchy ve šmírování neuronů přímo v našem ústředí dávají tušit, že tento směr má všechny předpoklady být lepším než zde popsaná snaha až podle změny tvaru svalu odhadovat, jaký pokyn mozek vyslal.

Závěr

Ze statistik vyplývá, že do problémů s hlasivkami se během života dostává třicet procent z nás. Mnozí opakovaně a v řadě případů se to neobejde bez pobytu na nemocenské. Zotavení nejčastěji vyžaduje tři měsíce, ale výjimkou nejsou ani nutnosti jednoho roku hlasového klidu. Ruku v ruce s tím chodí ztráta výdělku a pro mnohé pracovní pozice i zaměstnání. Toho všeho nás nové zařízení slibuje ušetřit. I když nejde o tak sofistikované zařízení jakým je Neuralink a nejspíš se ukáže být i méně dokonalým, jeví se nám nynější novinka stejně důležitou a hodnou brzkého zavedení do praxe i v našich končinách. Hlavně proto, že u dočasných výpadků hlasivek se nám jeví být dloubání do mozku zbytečným přepychem.

Literatura

Ziyuan Che, et al.: Speaking without vocal folds using a machine-learning-assisted wearable sensing-actuation systém, Nature Communications 15, Article number: 1873 (2024)