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打造聲波到耳朵的直達車,改善輕微聽損者的課堂困擾

研之有物│中央研究院_96
・2019/02/23 ・2583字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|林洵安

輕微聽損的學生、長輩,因為空間距離、背景噪音,無法聽清楚老師或講者的話語。這種情況,常在課堂與演講中被忽略。中研院張佑榕、曹昱團隊與跨單位合作,打造智慧聽 APP 助聽系統,讓聲音直送耳朵,學習沒有距離。

課堂和演講中,每個人都能聽得清楚嗎?有些並不是。
圖片來源│iStock

世界上最遙遠的距離,是你在我面前,但是我聽不到

孔子曰:益者三友,友直,友諒,友多聞。而「聞」的前提,就藏在象形字的奧妙中,需要靠「耳」來聽取知識。若是學齡兒童有聽損情況,無法將眼前的「文字」與「聲音」相連結,會造成學習效果下降(註一);對於聽覺稍微退化的長輩來說,聽不清楚旁人的話語,也會心生社交壓力。

生活中常見的聽覺阻礙是:背景噪音、聽者與說話者的距離。

觀察到這些聽覺阻礙,受到馬偕醫學院張秀雯助理教授的邀請,加上雅文基金會張逸屏研究員的合作,中研院資訊科技創新研究中心的副研究員──張佑榕、曹昱,實驗如何透過便利的方法,來解決「因為空間距離和背景噪音,而聽不清楚」的輕微聽損問題。

為聲波打造一班到耳朵的直達車

我們可以將「聲波」想像成一位旅者,這位旅者從說話者的嘴巴出發,要到達聽者的耳朵,需要經過一大段空間。張佑榕和曹昱的解決方案是:「我們可以縮減這段空間,讓聲波這位旅者,直接跳到聽者的耳朵」。

這種「聲音直送」的助聽功能,傳統上是透過 FM 調頻系統來達成,但市面上的調頻助聽系統,售價約為臺幣 6 至 8 萬元,並非人人負擔得起,或是有些輕微聽損者還用不到如此高規格的輔具。

幸好,大多數人都有手機,手機又相當強大,張佑榕、曹昱決定用智慧型手機來實現「調頻助聽系統」的功能。

手機安裝「智慧聽」App、搭配藍芽耳機,就能變成類似「調頻助聽系統」的聽能輔具。
圖片來源│智慧聽 SmartHear 說明影片

那麼,要如何讓聲波透過手機走捷徑呢?生活中常用的無線通訊──藍芽和 Wi-Fi,可以為聲波搭出一條高速道路。如下圖所示:

小型課堂或社交場合,說話者的聲音經由面前的手機、藍芽傳輸,直送聽者的藍芽耳機。
圖片來源│智慧聽 SmartHear 說明影片
圖說重製│林洵安
大型課堂或演講,講師的聲音經由面前的手機、Wi-Fi 傳輸,直送聽者的手機和藍芽耳機。
圖片來源│智慧聽 SmartHear 說明影片
圖說重製│林洵安

抗噪學問大,如何提高聲音傳播品質?

「聽者與說話者的距離」這個聽覺阻礙,透過無線通訊解決了,但還有另一個問題:背景噪音。

上課時同學很吵、講座場地反射回音,這些噪音都會附加於講者的聲音,讓輕微聽損者聽不清楚。因此,曹昱在智慧聽 APP 加上除噪功能,「目前我們是採用 GMAPA (適應性噪音消除演算法,註二),之後會嘗試用深度學習模型來消除噪音。」

日常生活中,就算聽覺健全,有時還是會聽錯別人說的話。考量這個情況,智慧聽 APP 另外加上「錄音」和「語音轉文字」的功能,除了可以重複聆聽確認,也能透過文字判讀聽到的話語。

「若是今天老師講的,我聽懂了七八成,那我再參照文字就能理解九成」,曹昱說明,目前文字是顯示在手機 APP ,若未來能結合穿戴式裝置,例如眼鏡,就能即時將關鍵字顯示在眼鏡上,透過視覺來輔助聽覺。

「智慧聽」 APP 誕生:工程研究是為了解決人的問題

擅長「語音處理」的曹昱、專精「無線通訊」的張佑榕,兩者的研究融合一起,加上團隊成員協力,變成有助於人的「智慧聽」 APP。
攝影│張語辰

無論是語音處理、或無線通訊的研究,都是用數學來解決生活問題。不過其實最初跨入這兩個研究領域,初衷是基於好奇心。

談到無線通訊這門學問,張佑榕說:「我們做研究比較像在解一個工程應用的數學問題,透過數理邏輯的推演,這過程很有趣。」從小雖然喜歡數學,但考量數學系太理論,而推甄到偏向應用的電機系,進入無線通訊的領域。

喜歡研究主題有「人味」的曹昱表示,語音處理的題目很有趣,而且可以應用到醫學和工程相關領域,幫助需要的人、讓生活更好。

除了可以發表論文,最快樂的是看到 APP 被點五顆星,留言說很好用。

術業有專攻,建構智慧聽 APP 的過程中,其實最難的是──找到會寫 APP 程式碼的成員。「我們會寫音訊處理、無線通訊、深度學習這些模型,但 APP 的程式和介面設計,依靠林祐成、Alan Chern、Kylon Chiang、賴穎暉教授協力完成與測試。」

團隊亦透過問卷調查使用者的反應,比較「智慧聽 APP」和「調頻助聽系統」的差異。調查結果發現,音質的分數相當,「但經濟實惠這個指標,我們的分數好非常多」。而因藍芽技術的問題,音訊會有一點點延遲,則是後續優化的項目之一。

當課堂和演講中聽不清楚的問題,透過智慧聽 APP 輔助解決後,更能達成因材施教、活到老學到老的目標。

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※編註:智慧聽 APP 為 Android 系統版本,若 iOS 系統使用者有類似需求,可運用 AirPods 變成輔聽器。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為課堂裡的隱性需求:聽不清楚、不敢舉手,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》