Suomalaiset pellepelottomat tekevät tiedettä vaikka puutarhaletkun avulla

Kolme metriä puutarhaletkua, voirasian kokoinen kappale mäntyä sekä useita siihen kiinnitettyjä jalopuukappaleita, grillaustikuista tehtyjä tappiliitoksia, taskulampun paristoja, neljä kännykkämikrofonia ja alumiinista kylmälaboratoriossa hitsattu kuutio muodostavat kokonaisuuden, josta Pelle Peloton saattaisi olla kateellinen.

Reipas kymmenen vuotta sitten Aalto-yliopiston matematiikan laitoksen kahvihuoneen pöydän ääressä päätettiin, että paikalla on tarpeeksi osaamista puheen mallintamiseen, akustiikasta lähtien. Tutkijat halusivat lähteä tutkimaan asiaa, mutta olennainen elementti puuttui. Heillä ei ollut tutkimuksen kannalta elintärkeää ääntöväylädataa, eikä työkaluja sen hankkimiseen.

- Alkujaan tämä oli myös aika mielikuvituksellinen projekti. Jos olisimme lähteneet hakemaan rahaa tätä varten, että “olemme matemaatikkojen kesken jutelleet, että haluaisimme ruveta puheentutkijoiksi”, niin ei meitä olisi kukaan rahoittanut, muistelee dosentti Jarmo Malinen.

Keskinäinen kateus torppaa tutkimusta

Tutkimusryhmän haaveena oli kuvata ja äänittää koehenkilöiden puhetta MRI-laitteessa yhtäaikaisesti. Tutkimusaihe oli maailman mittakaavassa uusi. Sitä oli pienimuotoisesti tutkittu aiemmin muun muassa Tsekissä tsekin kielen äänteistä sekä Ruotsissa ja Yhdysvalloissa. Malisen tutkimusryhmä sai Ruotsista ääntöväylädatan ö-äänteestä. Ruotsalaisilla olisi ollut paljon dataa muistakin vokaaleista, mutta aaltolaisille heltisi vain “Ö”.

- Minulle tuli sellainen “paha ajatus”, että haluan rikkoa tämän kuvion. Tutkimusryhmillä on joskus sellainen tarve, että he haluavat istua oman resurssinsa päällä. Silloin he kykenevät dominoimaan tutkimusalaansa, koska kellään muulla ei ole kyseistä dataa. Päätimme, että meidän datan pitää olla parempaa kuin muilla ja sitä pitää olla enemmän. Ja vielä se, että jos onnistumme, niin annamme suuren määrän dataa julkiseen levitykseen.

Miksi maksaa kymppitonni, kun parilla eurolla saa paremman?

Jarmo Malinen kaivaa magneettiresonanssikuvaushuoneen viereisen konehuoneen nurkasta kasan laitteita, jotka nopealla silmäyksellä näyttävät yläkoulun fysiikan ja kemian tunnilla kotitarpeista rakennetuilta. Ja sitä ne tavallaan ovatkin. Laitteiston suunnitteluun ja rakentamiseen on käytetty mittaamattomasti työaikaa, mutta huipputeknologiaa edustavan laitteiston materiaalikustannukset eivät päätä huimaa. Kallein yksittäinen elementti on alumiinilevyistä hitsattu kuutio, joka on sisältä myös äänieristetty. Sen sisällä sijaitsevat mikrofonit silikoniletkuista ja puusta rakennetussa vaimenninviritelmässä.

Kun projektia aloiteltiin vuonna 2006, Malisella ja kumppaneilla oli tiedossa, että markkinoilta löytyy optisia mikrofoneja. Ne eivät sisällä metallia, joten niitä voisi turvallisesti käyttää MRI-koneessa. Kymppitonnin maksavan optisen mikrofonin sijaan ryhmä päätyi parin euron hintaisiin, mutta kännykkäteollisuuden huippuunsa kehittämiin kondensaattorimikrofoneihin.

- Joka tapauksessa sen aikainen optinen mikrofoni oli äänenlaadultaan kahden euron kännykkämikrofonia huonompi.

Malisen ryhmässä rakennettu äänenkeräinlaitteisto on myös optista mikrofonia varmempi tutkimuskäytössä. Se kiinnitetään MRI-koneen magneettikelan sisällä olevaan telineeseen, koehenkilön pään yläpuolelle. Viimeisen päälle hiotun ja lakatun puukappaleen sivuista roikkuu kiinnittiminä hapsuttuneet puotinarut, joita Malinen vähän nolostelee.

Laite sidotaan paikalleen joka kerta samalla tavalla ja se on aina samassa kulmassa puhujaan nähden. Näin koetulokset ovat keskenään verrannollisia.

- Mikrofoni ei voi olla yhtenä päivänä vasemmalla poskella ja seuraavana päivänä oikealla poskella.

Äänenkeräin syntyy puusta ja puutarhaletkusta

Jarmo Maliselta on kulunut rutkasti työaikaa muun muassa sen miettimiseen, että laitteistossa ei saa olla mitään magneettista metallia tai johdelenkkejä, koska MRI-koneen lähelle sellaista ei voi viedä.

- Jos saisi käyttää ruuveja, kaikki olisi paljon helpompaa.

Äänenkeräin on tehty männystä ja sitä on myöhemmin täydennetty jalopuisilla osilla. Ne on kiinnitetty toisiinsa grillaustikuista pätkityillä tapeilla.

- Tutkimusryhmällä oli humoristinen periaate, että suunnitteluvirhe täytyy korvata aina uudella jalopuulla.

Äänenkeräin on Maliselta varsinainen puusepän kisällityönäyte. Männynkappaleeseen on jyrsitty kaksi torvimaista reikää. Alapuolella oleva kerää potilaan puheääntä ja yläpuolinen reikä ympäristön ääntä. Myöhemmässä vaiheessa kaksi eri ääniraitaa suodatetaan yhteen niin, että ympäristön melu saadaan vaimennettua.

Torvimaiset reiät jäljittelevät klassisia torvigeometrioita, jotka ovat tuttuja vanhojen gramofonien kaiuttimista. Torvi toimii myös päinvastaiseen suuntaan eli sitä voi käyttää äänen keräämiseen, siis tavallaan mikrofonina.

Äänenkeräimen torvet on yhdistetty kahdella kolmimetrisellä puutarhaletkulla alumiiniseen kuutioon. Sen sisällä ne luovuttavat ääniaaltosisältönsä kukin omalle kondensaattorimikrofonilleen.

Puutarhaletkun sisällä muhi kuitenkin ongelma. Tutkijat huomasivat, että sen sisällä syntyy seisovia aaltoja. Eli letku on kuin kolmimetrinen kaikukammio, samaan tapaan kuin kitaran kaikukoppa. Seisovien aaltojen vaimentamiseksi Malinen testaili eripaksuisia huopia ja nyt äänenkeräimessä onkin huopaeristys. Ilman huopia ääni menisi mikrofonissa särölle, eikä sitä voisi enää jälkikäteen korjata tietoneella.

Tavoitteena maailman paras data

Ruotsalaistutkijoilta saadussa ääntöväylädatassa oli yksi puute. Se oli tehty niin, että henkilö on ensin MRI-koneessa ääntänyt vokaalit, jotka kuvattiin. Sen jälkeen hän oli mennyt toiseen huoneeseen, jossa hän samassa asennossa äänsi samat vokaalit, jotka nyt äänitettiin. Eli kuva ja ääni taltioitiin eri tilanteista.

Tämähän ei suomalaistutkijoille käynyt. Vaikka he ruotsalaisten ponnisteluja arvostavatkin, niin tavoitteeksi asetettiin alusta lähtien, että oman ääntöväylä- ja puhedatan pitää olla yhtäaikaisesti taltioitua. Vain sillä tavoin voidaan poistaa koehenkilön oma variaatio eri kerroilla otetuissa näytteissä.

Näinä päivinä on kulunut kuusi vuotta siitä, kun nykyisin Albertan yliopistossa, Edmontonissa, Kanadassa työskentelevä Daniel Aalto makasi neljä tuntia t-paitaan ja shortseihin pukeutuneena Turun yliopiston MRI-koneessa Kupittaalla ja äänsi pitkiä, jopa 15 sekunnin mittaisia sarjoja kaikista vokaaleista. Malisen ryhmä sai osin käsityönä kerättyä ensimmäisen oman ääntöväylädatansa.

Ääntöväylädataa kerätään tällä hetkellä pariltakymmeneltä potilaalta, joille on tehty leikkaus jonnekin ääntöväylän alueelle, siis äänihuulten ja suun huulien välille. Heiltä on jo kerätty dataa ennen leikkausta ja tällä hetkellä on menossa leikkauksen jälkeinen kierros. Tutkimustuloksien avulla tehty malli on tulevaisuudessa apuna, kun kirurgit suunnittelevat suu- ja leukakirurgisia leikkauksia. Ne nimittäin kertovat, mihin suuntaan eri leikkausvaihtoehdot muuttavat potilaan puheääntä.

Potilasdataa ei anneta ryhmän ulkopuolelle, mutta - tulevaisuudessa puheen mallinnusta tutkivat ilahtuvat terveiltä vertailuhenkilöiltä, esimerkiksi tutkimusryhmän jäseniltä kerätystä laadukkaasta ääntöväylädatasta, mitä Malisen ryhmä antaa heille käyttöön.

Tutkimusdatan laatuun vaikuttaa myös MRI-koneen kuvausrajoite. Vokaalien lisäksi voidaan kerätä soinnillisten äänteiden dataa, kuten m ja n. Magneettikuvauksessa suljinaika on kahdeksan sekuntia, mikä sulkee pois esimerkiksi r-äänteen tutkimisen. Sen voi todeta alla olevalta You Tube-videolta. Tarkkaikaa koehenkilön kieltä, kun hän sanoo “ruusu varoo laavaa”.

EDIT 24. ja 25.6: Pieniä tarkennuksia ja kirjoitusvirheiden korjauksia.