Gaumensensoren als Stimmbandersatz

Wissenschaftler aus Johannesburg entwickeln einen künstlichen Kehlkopf, der eines Tages herkömmliche Stimmprothesen ersetzen und seinen Trägern eine möglichst menschliche Stimme zurückgeben soll.

In Deutschland erkranken jährlich rund 4000 Menschen an Kehlkopfkrebs. Vielen von ihnen wird operativ der Kehlkopf samt Stimmbändern entfernt, so dass sie nur noch mit Stimmprothesen sprechen können. Wissenschaftler aus Südafrika entwickeln derzeit einen künstlichen Kehlkopf, der seinen Trägern eine möglichst menschliche Stimme zurückgeben soll. Vor einigen Tagen haben sie ihr Konzept auf der International Conference on Biomedical and Pharmaceutical Engineering in Singapur vorgestellt.

„Sämtliche derzeit verfügbaren Geräte produzieren einen unangenehmen Klang, der eher an Roboter erinnert und ziemlich schroff ist“, sagt Megan Russell, Ingenieurin an der Universität Witwatersrand in Johannesburg. „Die Technik für eine bessere synthetische Stimme ist aber vorhanden.“

Um die zu erzeugen, wird ein so genanntes Palatometer eingesetzt: Es misst mit Hilfe von 118 Drucksensoren den Kontakt zwischen Zunge und Gaumen (lat. palatum). Gefertigt wurde der Prototyp von der US-Firma Complete Speech, solche Palatometer für Sprachtherapien herstellt. Russell und ihre Kollegen schrieben dazu eine Software, die die Messergebnisse in Sprachsignale umwandelt.

Verwendet wird das Gerät, in dem man es – ähnlich wie Zahnspangen mit Gaumenplatte – in den Mund einsetzt. Spricht der Träger dann so, wie er es gewohnt ist, werden die Zungenbewegungen in Laute übersetzt. Ein kleiner Synthesizer, der sich zum Beispiel in einer Hemdtasche befinden kann, gibt sie dann wieder.

Russell hat das System bereits dazu gebracht, 50 häufig benutzte englische Wörter zu erkennen, in dem die Versuchspersonen die Wörter mit dem Palatometer im Mund immer wieder aussprachen, um die Software zu trainieren. Die Sprachinformation wird als Diagramm der Drucksensordaten in einer Datenbank abgelegt. Wird ein Wort artikuliert, vergleicht das System die neuen Sensordaten mit den Diagrammen bereits gespeicherter Wörter.

Dieses System hat Russell mit verschiedenen Verfahren getestet. Bei einem werden Trainingsdaten von neuen Lauten gemittelt, um so Muster für den späteren Vergleich zu erzeugen. Eine andere Methode untersucht, wo im Diagramm Datenpunkte liegen und welchen Schwerpunkt sie in der Diagrammfläche haben. Die Ergebnisse der verschiedenen Methoden werden dann miteinander verglichen, um Übereinstimmungen herauszufinden. Russells Team hat zudem eine Sprachanalyse ausprobiert, um zu erkennen, welches Wort mit einiger Wahrscheinlichkeit nach dem jeweils zuletzt gesprochenen folgen könnte.

Kombiniert man diese Ansätze, könne das System ein Wort mit einer Zuverlässigkeit von 94,14 Prozent erkennen, sagt Russell. Die Quote gilt allerdings nur für bereits bekannte Wörter. Unbekannte Wörter werden hingegen übersprungen und nicht wiedergegeben. Damit wolle man verhindern, dass die Nutzer in heikle Situationen geraten, indem das Gerät falsche Wörter produziere.

Bislang wird das Palatometer noch über Kabel, die aus dem Mund hängen, mit dem Synthesizer verbunden. Sie sollen durch eine drahtlose Lösung ersetzt werden. Bevor der künstliche Kehlkopf wirklich einsatzbereit ist, muss aber auch die Wortbasis erweitert und das System an Patienten ohne Kehlkopf getestet werden.

„Wir wollen außerdem den Nutzern die Möglichkeit geben, die Tonhöhe und die Lautstärke zu variieren, damit sich die Sprache natürlicher anhört“, erklärt der Elektroingenieur David Rubin, der Russells Projekt betreut. „Zum Beispiel soll die Tonhöhe am Ende des Satzes nach oben gehen, wenn der Nutzer eine Frage stellt.“

Verbesserungsfähig ist auch die Geschwindigkeit, mit der die Sensordaten verarbeitet werden. Gegenwärtig benötigt das System eine Sekunde, um ein Wort zu identifizieren und wiederzugeben. Damit Lippenbewegung und Klang als synchron wahrgenommen werden, müsse diese Dauer auf 0,3 Sekunden verkürzt werden, sagt Megan Russell.

Eine Gruppe an der Universität Hull in Großbritannien arbeitet ebenfalls an dem Problem, aber mit einem anderen Ansatz. Sie platzieren im Mund Magnete, die Magnetfeldänderungen messen, während sich der Mund bewegt. Befestigt werden die Magnete zurzeit mit einem Spezialkleber an Lippen, Kehle und Zunge. Bei dieser Lösung sollen die Magneten am Ende implantiert werden. „Wir sind noch dabei, die besten Stellen im Mund zu finden“, räumt der Huller Ingenieur James Gilbert ein.

Das System seiner Gruppe ist noch nicht so weit wie das aus Johannesburg: Es kann gegenwärtig zehn Wörter erkennen, mit einer Genauigkeit von mindestens 70 Prozent. Gilbert bezweifelt aber, ob mit einem Palatometer je alle erdenklichen Wörter identifiziert werden könnten. Die Analysesoftware sei zwar gut, aber es gebe Wörter, bei denen die Zunge den Gaumen kaum berührt. Die Witwatersrand-Gruppe ist hingegen zuversichtlich, dass ihr Konzept mehr Erfolg haben wird, gerade weil keine Implantate nötig sind. David Rubin hofft, dass es in naher Zukunft zur Kooperation mit einer Hersteller herkömmlicher Stimmprothesen kommt. (nbo)