Dispositivo portátil para la fatiga vocal: Desarrollado por ingenieros biomédicos y cantantes de ópera, el dispositivo inalámbrico pequeño, suave y flexible se coloca en la parte superior del pecho para monitorear la actividad vocal en tiempo real. Cuando el usuario se acerca a su presupuesto vocal, un dispositivo háptico adjunto (ubicado en la zaona de riesgo) vibra una alerta.

La fatiga vocal es una condición común causada por el uso excesivo

Los sensores informan sobre cuánto usan sus voces los usuarios, con el objetivo de prevenir la fatiga vocal y más lesiones. Desarrollado por ingenieros biomédicos y cantantes de ópera, el dispositivo inalámbrico pequeño, suave y flexible se coloca en la parte superior del pecho para monitorear la actividad vocal en tiempo real. Al usar Bluetooth, los datos se transmiten a una aplicación, donde los algoritmos de aprendizaje automático distinguen cantar de hablar, independientemente de los sonidos ambientales.

EVANSTON, Ill. — Investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado el primer dispositivo portátil inteligente para rastrear continuamente cuánto usan las personas sus voces, alertándolos sobre el uso excesivo antes de que se produzca fatiga vocal y posibles lesiones.

El primer dispositivo inalámbrico de su tipo, que funciona con baterías, y los algoritmos que lo acompañan podrían cambiar las reglas del juego para cantantes profesionales, maestros, políticos, trabajadores de centros de llamadas, entrenadores y cualquier persona que confíe en sus voces para comunicarse de manera efectiva y hacer una vida. También podría ayudar a los médicos a monitorear de forma remota y continua a los pacientes con trastornos de la voz a lo largo de su tratamiento.

Desarrollada por un equipo interdisciplinario de científicos de materiales, ingenieros biomédicos, cantantes de ópera y un patólogo del habla y el lenguaje, la investigación detrás de la nueva tecnología se publica en Proceedings of the National Academy of Sciences.

El dispositivo del tamaño de un sello postal se adhiere cómodamente a la parte superior del pecho para sentir las vibraciones sutiles asociadas con hablar y cantar. Desde allí, los datos capturados se transmiten instantáneamente a través de Bluetooth al teléfono inteligente o tableta de los usuarios, para que puedan monitorear sus actividades vocales en tiempo real durante todo el día y medir el uso vocal total acumulado. Los algoritmos de aprendizaje automático personalizados distinguen la diferencia entre hablar y cantar, lo que permite a los cantantes realizar un seguimiento de cada actividad por separado.

Con la aplicación, los usuarios pueden establecer sus umbrales vocales personalizados. Cuando se acercan a ese umbral, su teléfono inteligente, reloj inteligente o un dispositivo adjunto ubicado en la muñeca proporciona retroalimentación háptica en tiempo real como una alerta. Luego, pueden descansar sus voces antes de ir demasiado lejos.

“El dispositivo mide con precisión la amplitud y la frecuencia para hablar y cantar”, dijo John A. Rogers de Northwestern, un pionero de la bioelectrónica que dirigió el desarrollo del dispositivo. “Esos dos parámetros son los más importantes para determinar la carga general que se produce en las cuerdas vocales. Ser consciente de esos parámetros, tanto en un instante dado como acumulativamente a lo largo del tiempo, es esencial para manejar patrones saludables de vocalización”.

“Es fácil que las personas olviden cuánto usan su voz”, dijo Theresa Brancaccio de Northwestern, una experta en voz que codirigió el estudio.

“Los cantantes clásicos experimentados tienden a ser más conscientes de su uso vocal porque han vivido y aprendido. Pero algunas personas, especialmente los cantantes con menos formación o personas, como maestros, políticos y entrenadores deportivos, que deben hablar mucho por sus trabajos, a menudo no se dan cuenta de cuánto lo están presionando. Queremos darles una mayor conciencia para ayudar a prevenir lesiones”.

Rogers es profesor Louis Simpson y Kimberly Querrey de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y cirugía neurológica en la Escuela de Ingeniería McCormick y en la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern . También es director del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica. Una distinguida intérprete de ópera, mezzosoprano, Brancaccio es profesora titular en la Bienen School of Music de Northwestern, donde enseña voz y pedagogía vocal.

Sin darse cuenta del uso excesivo

Para los millones de personas en los EE. UU. que se ganan la vida hablando o cantando, la fatiga vocal es una amenaza constante e inminente. La condición común ocurre cuando las cuerdas vocales se hinchan, haciendo que la voz suene áspera y pierda resistencia. La fatiga vocal afecta negativamente a los cantantes, en particular, alterando sus habilidades para cantar con claridad o alcanzar las mismas notas que su voz sana. En el mejor de los casos, un breve período de fatiga vocal puede interrumpir brevemente los planes de un cantante. En el peor de los casos, puede causar suficiente daño como para descarrilar una carrera.

La falta de conciencia es el problema de fondo. Las personas rara vez hacen la conexión entre las actividades vocales y cómo esas actividades afectan sus voces. Aunque uno de cada 13 adultos en los EE. UU. ha experimentado fatiga vocal, la mayoría de las personas no se dan cuenta de que están abusando de sus voces hasta que ya tienen ronquera.

“Lo que lleva a las personas a tener problemas es cuando los eventos se acumulan”, dijo Brancaccio. “Pueden tener ensayos, dar lecciones, hablar durante las discusiones en clase y luego ir a una fiesta ruidosa, donde tienen que gritar por encima del ruido de fondo. Luego, agrega un resfriado o una enfermedad a la mezcla. La gente no tiene idea de cuánto tosen o se aclaran la garganta. Cuando estos eventos se acumulan durante días, eso puede ejercer una gran presión sobre la voz”.

Conexión transversal

Como defensora de la salud vocal, Brancaccio ha pasado décadas explorando formas de mantener a sus alumnos conscientes de cuánto usan sus voces. En 2009, desafió a sus alumnos a mantener un presupuesto en papel, escribiendo físicamente cada vez que hablaron, cantaron y bebieron agua, entre otras cosas. Aproximadamente 10 años después, convirtió el sistema en Singer Savvy, una aplicación que ofrece un presupuesto vocal personalizado para cada usuario y ayuda a los usuarios a mantenerse dentro de ese presupuesto.

Por otra parte, Rogers, en colaboración con investigadores de Shirley Ryan AbilityLab, había desarrollado un dispositivo portátil inalámbrico para rastrear la deglución y el habla en pacientes con accidente cerebrovascular. El sensor similar a un vendaje mide la capacidad de tragar y los patrones del habla para monitorear los procesos de recuperación de los pacientes con accidentes cerebrovasculares. En las primeras semanas de la pandemia de COVID-19, el equipo de Rogers modificó la tecnología para monitorear la tos, como síntoma clave de la enfermedad.

“Quería recopilar más datos y hacer que nuestro sistema de seguimiento sea más preciso y preciso”, dijo Brancaccio. “Entonces, contacté a John para ver si sus sensores podían ayudarnos a recopilar más información”.

“Pensé que era una gran oportunidad para que nosotros extendiéramos nuestras tecnologías más allá de nuestros usos muy importantes, pero limitados, en el cuidado de la salud a algo que podría captar una población más amplia de usuarios”, dijo Rogers. “Cualquiera que use su voz extensamente podría beneficiarse”.

La pareja también se asoció con el patólogo del habla y experto en voz Aaron M. Johnson para explorar cómo se podrían usar los dispositivos para evaluar y monitorear el tratamiento de pacientes con trastornos vocales. Johnson, quien codirige el Centro de Voz de NYU Langone, dijo que el pequeño dispositivo inalámbrico podría ayudar a rastrear las voces de los pacientes en el mundo real, fuera de un entorno clínico.

“Una parte clave de la terapia de la voz es ayudar a las personas a cambiar cómo y cuánto usan su voz”, dijo Johnson, coautor del estudio y profesor asociado en el departamento de otorrinolaringología de la Escuela de Medicina Grossman de la NYU. “Este dispositivo permitirá a los pacientes y sus médicos comprender los patrones de uso de la voz y realizar ajustes en la demanda vocal para reducir la fatiga vocal y acelerar la recuperación de los trastornos de la voz. La generalización de las técnicas y ejercicios vocales de las sesiones de terapia a la vida diaria es uno de los aspectos más desafiantes de la terapia de la voz, y este dispositivo podría mejorar mucho ese proceso”.

Algoritmos entrenados por cantantes

El equipo modificó los dispositivos existentes de Rogers para medir con precisión la carga vocal a lo largo del tiempo. Eso incluye frecuencia, volumen, amplitud, duración y hora del día. Al igual que los dispositivos anteriores de Rogers para pacientes con COVID-19 y accidentes cerebrovasculares, el nuevo dispositivo también detecta vibraciones en lugar de grabar audio. Esto permite que el dispositivo detecte la actividad vocal del usuario con precisión, en lugar del ruido ambiental que lo rodea.

El mayor desafío fue desarrollar algoritmos capaces de distinguir hablar de cantar. Para superar este desafío, Brancaccio reclutó a estudiantes de canto y ópera para que realizaran una variedad de ejercicios de canto para entrenar los algoritmos de aprendizaje automático. Un equipo de cantantes clásicos con diferentes rangos vocales, desde bajo hasta soprano, usó los dispositivos mientras tarareaba, cantaba escalas y canciones entrecortadas, leía y más. Cada cantante generó 2500 ventanas de canto de un segundo de duración y 2500 ventanas de habla de un segundo de duración.

El algoritmo resultante puede separar el canto del habla con más del 95 % de precisión. Y, cuando se usa en un coro, el dispositivo captura solo datos del usuario y no el ruido de los cantantes cercanos.

“Hablar durante mucho tiempo es una de las actividades más agotadoras para las personas que se están entrenando para convertirse en cantantes profesionales”, dijo Brancaccio. “Al separar cantar y hablar, puede ayudar a las personas a desarrollar más conciencia sobre cuánto hablan. Existe evidencia de que incluso períodos breves de 15 a 20 minutos de silencio total intercalados a lo largo del día pueden ayudar a que los tejidos de las cuerdas vocales se recuperen y reparen”.

Cómo usarlo

Para usar el dispositivo, el usuario simplemente lo adhiere al esternón, debajo del cuello, y sincroniza el dispositivo con la aplicación que lo acompaña. El equipo de Rogers actualmente está trabajando en un método para personalizar los presupuestos vocales para cada usuario. Aquí, los usuarios presionarán un botón en la aplicación si experimentan molestias vocales en cualquier momento del día, capturando efectivamente la carga vocal instantánea y acumulada en ese momento. Estos datos pueden servir como un umbral personalizado para la fatiga vocal. Cuando el usuario se acerca o supera su umbral personalizado, un dispositivo háptico vibrará como una alerta.

Similar en tamaño y forma a un reloj de pulsera, este dispositivo háptico incluye múltiples motores que pueden activarse en diferentes patrones y con diferentes niveles de intensidad para transmitir diferentes mensajes. Los usuarios también pueden monitorear una pantalla gráfica dentro de la aplicación, que divide la información en categorías de habla y canto.

“Utiliza Bluetooth, por lo que puede hablar con cualquier dispositivo que tenga un motor háptico incorporado”, dijo Rogers. “Entonces, no tienes que usar nuestra pulsera. Simplemente podría aprovechar un reloj inteligente estándar para la retroalimentación háptica”.

Aunque existen otros dispositivos de monitoreo vocal, estos usan collares grandes, cables de sujeción y equipos voluminosos. Algunos también usan micrófonos incorporados para capturar datos vocales audibles, lo que genera problemas de privacidad.

“Esos no funcionan para el monitoreo continuo en un entorno real”, dijo Brancaccio. “En lugar de usar equipos engorrosos y cableados, puedo quedarme con este dispositivo suave y portátil. Una vez que está encendido, ni siquiera lo noto. Es súper ligero y fácil.”

¿Qué sigue?

Debido a que los dispositivos anteriores de Rogers capturan la temperatura corporal, la frecuencia cardíaca y la actividad respiratoria, los investigadores incluyeron esas capacidades en el dispositivo de monitoreo vocal. Creen que estos datos adicionales ayudarán a explorar cuestiones de investigación fundamentales relacionadas con la fatiga vocal.

“Esto es más especulativo, pero podría ser interesante ver cómo la actividad física afecta la fatiga vocal”, dijo Rogers. “Si alguien baila mientras canta, ¿es eso más estresante para las cuerdas vocales en comparación con alguien que no se esfuerza físicamente? Ese es el tipo de preguntas que podemos hacer y responder cuantitativamente”.

Mientras tanto, Brancaccio está emocionada de que sus alumnos tengan una herramienta que pueda ayudar a prevenir lesiones. Ella espera que otros, incluidos los que no son cantantes, vean el beneficio de mantener saludables sus cuerdas vocales. “Tu voz es parte de tu identidad, ya seas cantante o no”, dijo. “Es parte integral de la vida diaria y vale la pena protegerlo”.

El estudio, "Red de circuito cerrado de dispositivos inalámbricos con interfaz de piel para cuantificar la fatiga vocal y proporcionar comentarios de los usuarios", fue apoyado por el Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica de la Universidad Northwestern.