Premier appareil portable pour le sens de la fatigue vocale

• La fatigue vocale est une affection courante causée par une utilisation excessive
• Les capteurs permettent de savoir à quel point les porteurs utilisent leur voix, dans le but de prévenir la fatigue vocale et d’autres blessures
• Développé par des ingénieurs biomédicaux et des chanteurs d’opéra, le petit appareil sans fil souple et flexible repose sur le haut de la poitrine pour surveiller l’activité vocale en temps réel
• À l’aide de Bluetooth, les données sont transmises à une application, où des algorithmes d’apprentissage automatique distinguent le chant de la parole, indépendamment des sons ambiants

EVANSTON, Illinois – Des chercheurs de l’Université Northwestern ont développé le premier appareil portable intelligent pour suivre en continu la quantité d’utilisation de la voix par les personnes, les alertant de la surutilisation avant que la fatigue vocale et les blessures potentielles ne s’installent.

Le premier appareil sans fil alimenté par batterie et les algorithmes qui l’accompagnent pourraient changer la donne pour les chanteurs professionnels, les enseignants, les politiciens, les travailleurs des centres d’appels, les entraîneurs et tous ceux qui comptent sur leur voix pour communiquer efficacement et faire une source de revenu. Cela pourrait également aider les cliniciens à surveiller à distance et en continu les patients souffrant de troubles de la voix tout au long de leur traitement.

Développée par une équipe interdisciplinaire de scientifiques des matériaux, d’ingénieurs biomédicaux, de chanteurs d’opéra et d’un orthophoniste, la recherche derrière la nouvelle technologie sera publiée au cours de la semaine du 20 février dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

L’appareil souple et flexible de la taille d’un timbre-poste adhère confortablement à la partie supérieure de la poitrine pour détecter les vibrations subtiles associées à la parole et au chant. À partir de là, les données capturées sont instantanément diffusées via Bluetooth sur le smartphone ou la tablette des utilisateurs, afin qu’ils puissent surveiller leurs activités vocales en temps réel tout au long de la journée et mesurer l’utilisation vocale totale cumulée. Des algorithmes d’apprentissage automatique personnalisés distinguent la différence entre parler et chanter, permettant aux chanteurs de suivre séparément chaque activité.

Avec l’application, les utilisateurs peuvent définir leurs seuils vocaux personnalisés. Lorsqu’ils approchent de ce seuil, leur smartphone, leur montre connectée ou un appareil d’accompagnement situé au poignet fournit un retour haptique en temps réel en guise d’alerte. Ensuite, ils peuvent reposer leur voix avant de pousser trop loin.

“L’appareil mesure avec précision l’amplitude et la fréquence pour parler et chanter”, a déclaré Northwestern. John A.Rogers, un pionnier de la bioélectronique qui a dirigé le développement de l’appareil. « Ces deux paramètres sont les plus importants pour déterminer la charge globale qui se produit sur les cordes vocales. Être conscient de ces paramètres, à la fois à un instant donné et de manière cumulative dans le temps, est essentiel pour gérer des schémas de vocalisation sains.

“Il est facile pour les gens d’oublier à quel point ils utilisent leur voix”, a déclaré Northwestern. Thérèse Brancaccio, un expert de la voix qui a co-dirigé l’étude. «Les chanteurs classiques chevronnés ont tendance à être plus conscients de leur utilisation vocale parce qu’ils ont vécu et appris. Mais certaines personnes – en particulier les chanteurs moins formés ou les personnes, comme les enseignants, les politiciens et les entraîneurs sportifs, qui doivent beaucoup parler pour leur travail – ne réalisent souvent pas à quel point elles le poussent. Nous voulons leur donner une plus grande sensibilisation pour aider à prévenir les blessures.

Rogers est titulaire de la chaire Louis Simpson et Kimberly Querrey de science et génie des matériaux, de génie biomédical et de chirurgie neurologique au École d’ingénierie McCormick et École de médecine Feinberg de l’Université Northwestern. Il est également directeur du Institut Querrey Simpson pour la bioélectronique. Interprète d’opéra distingué, mezzo-soprano, Brancaccio est maître de conférences à la Northwestern’s École de musique de Bienenoù elle enseigne la voix et la pédagogie vocale.

Inconscient de la surutilisation

Pour les millions de personnes aux États-Unis qui gagnent leur vie en parlant ou en chantant, la fatigue vocale est une menace constante et imminente. La condition courante survient lorsque les cordes vocales surutilisées gonflent, ce qui rend la voix rauque et perd de son endurance. La fatigue vocale affecte négativement les chanteurs, en particulier, altérant leurs capacités à chanter clairement ou à frapper les mêmes notes que leur voix saine. Au mieux, une courte période de fatigue vocale peut interrompre brièvement les plans d’un chanteur. Au pire, cela peut entraîner suffisamment de dégâts pour faire dérailler une carrière.

Le manque de sensibilisation est le problème sous-jacent. Les gens font rarement le lien entre les activités vocales et la façon dont ces activités affectent leur voix. Bien qu’un adulte américain sur 13 ait éprouvé de la fatigue vocale, la plupart des gens ne remarquent pas qu’ils utilisent trop leur voix jusqu’à ce que l’enrouement se soit déjà installé.

“Ce qui amène les gens à avoir des ennuis, c’est lorsque les événements s’accumulent”, a déclaré Brancaccio. «Ils peuvent avoir des répétitions, donner des cours, parler pendant les discussions en classe, puis se rendre à une fête bruyante, où ils doivent crier par-dessus le bruit de fond. Ensuite, jetez un rhume ou une maladie dans le mélange. Les gens n’ont aucune idée de combien ils toussent ou se raclent la gorge. Lorsque ces événements s’accumulent pendant des jours, cela peut exercer un stress important sur la voix.

Lien interdisciplinaire

En tant que défenseur de la santé vocale, Brancaccio a passé des décennies à explorer des moyens de garder ses élèves conscients de l’utilisation qu’ils font de leur voix. En 2009, elle a mis ses élèves au défi de tenir un budget papier – en écrivant physiquement chaque fois qu’ils parlaient, chantaient et buvaient de l’eau, entre autres. Environ 10 ans plus tard, elle a converti le système en Chanteur aviséune application qui propose un budget vocal personnalisé pour chaque utilisateur et aide les utilisateurs à respecter ce budget.

Par ailleurs, Rogers, en collaboration avec des chercheurs du Shirley Ryan AbilityLab, avait a développé un appareil portable sans fil pour suivre la déglutition et la parole chez les patients victimes d’AVC. Le capteur semblable à un bandage mesure les capacités de déglutition et les modèles d’élocution pour surveiller les processus de récupération des patients victimes d’un AVC. Au cours des premières semaines de la pandémie de COVID-19, l’équipe de Rogers a modifié le technologie pour surveiller la touxen tant que symptôme clé de la maladie.

“Je voulais rassembler plus de données et rendre notre système de suivi plus précis et plus précis”, a déclaré Brancaccio. “Alors, j’ai contacté John pour voir si ses capteurs pouvaient nous aider à recueillir plus d’informations.”

“Je pensais que c’était une excellente occasion pour nous d’étendre nos technologies au-delà de nos utilisations très importantes, mais étroitement ciblées, dans les soins de santé à quelque chose qui pourrait capturer une population d’utilisateurs plus large”, a déclaré Rogers. “Quiconque utilise beaucoup sa voix pourrait en bénéficier.”

La paire s’est également associée à un orthophoniste et à un expert de la voix Aaron M. Johnson pour explorer comment les appareils pourraient être utilisés pour évaluer et surveiller le traitement des patients souffrant de troubles vocaux. Johnson, qui co-dirige le Voice Center de NYU Langone, a déclaré que le petit appareil sans fil pourrait aider à suivre les voix des patients dans le monde réel – en dehors d’un cadre clinique.

“Un élément clé de la thérapie vocale consiste à aider les gens à changer la façon dont – et la quantité – d’utilisation de leur voix”, a déclaré Johnson, co-auteur de l’étude et professeur agrégé au département d’oto-rhino-laryngologie de la NYU Grossman School of Medicine. «Cet appareil permettra aux patients et à leurs cliniciens de comprendre les schémas d’utilisation de la voix et d’ajuster la demande vocale pour réduire la fatigue vocale et accélérer la récupération des troubles de la voix. La généralisation des techniques et des exercices vocaux des séances de thérapie à la vie quotidienne est l’un des aspects les plus difficiles de la thérapie vocale, et cet appareil pourrait grandement améliorer ce processus.

Algorithmes formés par Singer

L’équipe a modifié les appareils existants de Rogers pour mesurer avec précision la charge vocale au fil du temps. Cela inclut la fréquence, le volume, l’amplitude, la durée et l’heure de la journée. Comme les appareils précédents de Rogers pour les patients atteints de COVID-19 et d’AVC, le nouvel appareil détecte également les vibrations plutôt que l’enregistrement audio. Cela permet à l’appareil de détecter précisément l’activité vocale de l’utilisateur, plutôt que le bruit ambiant qui l’entoure.

Le plus grand défi était de développer des algorithmes capables de distinguer la parole du chant. Pour surmonter ce défi, Brancaccio a recruté des étudiants en chant et en opéra pour entreprendre une variété d’exercices de chant afin de former les algorithmes d’apprentissage automatique. Une équipe de chanteurs classiques avec différentes gammes vocales – allant de la basse à la soprano – portait les appareils tout en fredonnant, en chantant des gammes et des chansons staccato, en lisant et plus encore. Chaque chanteur a généré 2 500 fenêtres de chant d’une seconde et 2 500 fenêtres de parole d’une seconde.

L’algorithme résultant peut séparer le chant de la parole avec plus de 95 % de précision. Et, lorsqu’il est utilisé dans une chorale, l’appareil ne capture que les données du porteur et non le bruit des chanteurs à proximité.

“La conversation prolongée est l’une des activités les plus fatigantes pour les personnes qui se forment pour devenir des chanteurs professionnels”, a déclaré Brancaccio. “En séparant chanter et parler, cela peut aider les gens à prendre davantage conscience de la quantité de paroles qu’ils parlent. Il est prouvé que même de brèves périodes de silence total de 15 à 20 minutes entrecoupées tout au long de la journée peuvent aider les tissus des cordes vocales à se rétablir et à se réparer.

Comment l’utiliser

Pour utiliser l’appareil, le porteur le colle simplement au sternum, sous le cou, et synchronise l’appareil avec l’application qui l’accompagne. L’équipe de Rogers travaille actuellement sur une méthode pour personnaliser les budgets vocaux de chaque utilisateur. Ici, les utilisateurs appuieront sur un bouton de l’application s’ils ressentent une gêne vocale à tout moment de la journée, capturant efficacement la charge vocale instantanée et cumulative à ce moment-là. Ces données peuvent servir de seuil personnalisé de fatigue vocale. Lorsque l’utilisateur approche ou dépasse son seuil personnalisé, un dispositif haptique vibre en guise d’alerte.

Semblable en taille et en forme à une montre-bracelet, cet appareil haptique comprend plusieurs moteurs qui peuvent s’activer selon différents schémas et avec différents niveaux d’intensité pour transmettre différents messages. Les utilisateurs peuvent également surveiller un affichage graphique dans l’application, qui divise les informations en catégories de parole et de chant.

“Il utilise Bluetooth, il peut donc parler à n’importe quel appareil doté d’un moteur haptique intégré”, a déclaré Rogers. « Ainsi, vous n’êtes pas obligé d’utiliser notre bracelet. Vous pouvez simplement utiliser une montre intelligente standard pour un retour haptique.

Bien qu’il existe d’autres dispositifs de surveillance vocale, ceux-ci utilisent de gros colliers, des fils d’attache et des équipements encombrants. Certains utilisent également des microphones intégrés pour capturer des données vocales audibles, ce qui pose des problèmes de confidentialité.

“Ceux-ci ne fonctionnent pas pour une surveillance continue dans un environnement réel”, a déclaré Brancaccio. « Au lieu de porter un équipement filaire encombrant, je peux m’en tenir à cet appareil souple et portable. Une fois qu’il est allumé, je ne le remarque même pas. C’est super léger et facile.

Et après

Étant donné que les appareils précédents de Rogers captent la température corporelle, la fréquence cardiaque et l’activité respiratoire, les chercheurs ont inclus ces capacités dans l’appareil de surveillance vocale. Ils pensent que ces données supplémentaires aideront à explorer les questions de recherche fondamentale concernant la fatigue vocale.

“C’est plus spéculatif, mais il pourrait être intéressant de voir comment l’activité physique affecte la fatigue vocale”, a déclaré Rogers. “Si quelqu’un danse en chantant, est-ce plus stressant pour les cordes vocales que quelqu’un qui ne fait pas d’effort physique ? C’est le genre de questions que nous pouvons poser et auxquelles nous pouvons répondre quantitativement.

En attendant, Brancaccio est ravie que ses élèves aient un outil qui peut aider à prévenir les blessures. Elle espère que d’autres – y compris les non-chanteurs – verront l’avantage de garder leurs cordes vocales en bonne santé.

“Votre voix fait partie de votre identité, que vous soyez chanteur ou non”, a-t-elle déclaré. “Il fait partie intégrante de la vie quotidienne et mérite d’être protégé.”

L’étude, “Réseau en boucle fermée d’appareils sans fil à interface cutanée pour quantifier la fatigue vocale et fournir des commentaires aux utilisateurs”, a été soutenue par le Querrey Simpson Institute for Bioelectronics de la Northwestern University.