Antakaa minulle Adelen ääni!
Haluaisitko varata ajan ääniplastiikkakirurgilta ja pyytää, että tehkää minusta Adele tai vaikkapa David Bowie? Tämä ei ole ihan niin scifiä kuin miltä se kuulostaa! 20 vuoden sisään kirurgeilla voi olla työkalu, jonka avulla voidaan suunnitella ja tehdä virtuaalisesti ääntöväylään ja puheeseen vaikuttavia leikkauksia käänteisesti niin, että aloitetaan lopputuloksesta.
Näin se tulevaisuudessa voisi mennä: potilas yhdessä kirurgin kanssa päättää ensin, että millainen lopputulos on tavoitteena. Sen jälkeen suunnitellaan leikkaus potilaan ääntöväylästä tehtyjen kolmiulotteisten virtuaalisten mallien avulla. Niiden avulla voi vertailla vaihtoehtoisia toimenpiteitä ja kuunnella, miltä potilas kuulostaisi tietyn leikkaustoimenpiteen jälkeen - vähän samaan tapaan kuin plastiikkakirurgi pyrkii muuttamaan potilaan ulkonäköä hänen toiveidensa mukaisesti.
Puheäänen muuttuminen voi olla sosiaalinen katastrofi
Ensisijaisena päämääränä tutkijoilla ei ole muokata ihmisistä poptähtien äänellisiä klooneja. Tavoitteena on pystyä suunnittelemaan suun ja leukojen alueen kirurgisia toimenpiteitä niin, että potilaan ääni pysyisi mahdollisimman samanlaisena leikkauksen jälkeen kuin mitä se oli ennen leikkausta.
Leikkaus, joka muuttaa ääntöväylän anatomiaa voi muuttaa ihmisen puheääntä hurjalla tavalla. Äärimmäinen esimerkki on suusyöpäpotilas, jonka kohdalla leikkauksen vaikutus hänen elämänlaatuunsa voi olla lamaannuttava.
- Jos suusyöpäpotilaalta viedään puolet yläleuasta, korvataan se luusiirteellä ja tuodaan protetiikkaa päälle, niin ne muutokset ovat valtavia. Ihmisen ääni voi muuttua niin dramaattisesti, että puhelinkeskustelussa vastapuoli ajattelee, että tuolla on joku juovuksissa soittelija, kuvaa professori Risto-Pekka Happonen Turun yliopistosta.
Ääni = anatomia
Risto-Pekka Happonen ja dosentti Jarmo Malinen vetävät yhdessä Turun yliopiston ja Aalto-yliopiston PUMA-projektia, jossa yhtäaikaisesti kuvataan ja äänitetään leikkauspotilaita magneettiresonanssikuvauslaitteessa (MRI). Projektissa kerätään ääntöväylädataa samoilta henkilöiltä ennen ja jälkeen suu- ja leukakirurgisen leikkauksen.
Tavoitteena on päästä tilanteeseen, jossa pystytään mallintamaan henkilön puhe kummastakin suunnasta. Potilas puhuu MRI-koneessa ja kyseisestä ääninäytteestä analysoidaan formantit eli äänen osasävelet. Samat formantit pitää pystyä laskemaan myös myös potilaan anatomiasta, siis MRI-koneessa kuvatusta kuvasta, joka on otettu puheentuottamisen aikana.
Alla on kuva 25-vuotiaan miehen a-vokaalin formanteista. Sininen osa kuvaa MRI-koneessa makuulla äänitettyä vokaalia ja punainen on kaiuttomassa huoneessa äänitetty vokaali. Formantit osuvat linjaan, mistä voi päätellä, että matemaattinen laskentakaava toimii.
- Kun tunnemme henkilön ääntöväylän anatomian, pystymme laskemaan millainen ääni siitä syntyy ja jos tunnemme äänen, niin pystymme laskemaan millaisesta anatomiasta se syntyy, Happonen tiivistää vokaalisynteesin idean.
Ääntöväylä on matematiikkaa
Jos Adelen ääni haluttaisiin kopioida toiselle ihmiselle, ensiaskel olisi saada hänet kuvattavaksi ja äänitettäväksi MRI-koneeseen. Projektissa ei olla vielä siinä vaiheessa, että kenen tahansa ääninäytteestä pystyttäisiin mallintamaan anatomia, jossa ko. ääni on saatu aikaiseksi.
- Jos käyttäisimme pari vuotta aikaa saisimme tällä hetkellä mallinnettua vaikkapa hänen e-vokaalinsa tietyllä äänen korkeudella, mutta se olisi vain Adelen “E”, sanoo Jarmo Malinen.
Tämän kevään saavutus puheenmallinnusprojektissa (PUMA) on 3D-tulostettu ääntöväylä, joka on mallinnettu tietyn koehenkilön ääntöväylästä. Matemaattinen malli on nyt saanut fyysisen muodon, joka kaiken lisäksi kuulostaa ihmisääneltä, kun sinne syötetään ns. glottisheräte eli äänihuulien tuottama “pörinä”. Eri vokaaleita varten on tietenkin tulostettu oma ääntöväylänsä, koska se muuttaa muotoaan, kun ihminen puhuu - laulamisesta puhumattakaan.
Ihmisen äänenlaatuun eli siihen miltä kuulostamme, vaikuttaa olennaisesti äänihuulten rakenteen lisäksi ääntöväylän anatomia. Kuuntele videolta, miltä kuulostaa ihmisen puheessa pelkkä äänihuulten osuus.
3D-printti on kova. Samalla tavoin kolmiulotteisen matemaattisen mallin, joka majailee tietokoneen uumenissa, mieltää helposti kovaksi. Ihmisen kudokset ovat kuitenkin pehmeitä.
- Ei se malli ole kova. Se on kuin saksofoni. Vaikka putki itsessään on kova, niin pehmeäksi sen tekevät läpät. Niiden avaaminen ja sulkeminen tuottaa saman kaltaisen vaikutuksen kuin ääntöväylän liikkeet. Ilman virtauksen muutokset aiheuttavat muutoksen äänen taajuudessa, kuvaa Risto-Pekka Happonen.
Kolmiulotteinen malli jäljittelee ihmisen kudoksia matematiikan avulla.
- Kudosten pinta voidaan määritellä mallissa täysin kovaksi tai osittain heijastavaksi ja läpäiseväksi pinnaksi, lisää Jarmo Malinen.
Mallintamisen vaikeusaste nousee, kun yritetään huomioida ulkotilan vaikutus. Ulkotila ei ole pelkkä seinämä, jolle voi määritellä samankaltaisia ominaisuuksia kuin ääntöväylän seinämälle.
- Esimerkiksi, kun teemme mittauksia MRI-koneessa, sen seinistä heijastuu koehenkilön ääntä. Heijastukset muuttavat sitä ja ovat siten merkittävä virhelähde, mikä pitää huomioida mallinnuksessa, Malinen sanoo.
Kuuntele alla olevalta videolta, millaisia vaikutuksia vokaaliäänenlaatuun on sillä, että ääntöväylää muokataan. 3D-printatun ääntöväylän alkuperäinen malli perustuu Aalto yliopiston tohtorikoulutettavan ääntöväylään, joka on mallinnettu magneettikuvauksen avulla. Äänen lähde on keinotekoinen kurkunpää, joka tuottaa äänihuulten osuutta 100 hertzin taajuudella.
Kauneuskirurgiaa äänelle
Ihmisäänelle tehtävä “kauneuskirurgia” kuulostaa vielä tänään varsin scifiltä. Kuka voisi haluta sitä ja mihin tarkoitukseen?
- Matalaa ääntä pidetään vakuuttavana ja siksi voisin kuvitella, että äänenmadallusleikkaukselle voisi olla kysyntää. Teoriassa se olisi helppoa suurentamalla äänihuulia ja näin äänihuulihalvauspotilaita voidaan jo auttaa nyt, sanoo tutkija Daniel Aalto, Albertan yliopistosta.
Toinen juttu on se, millaisia riskejä kannattaa ottaa identiteettiin liittyvien herkkien kehonosien suhteen ilman sairaudenhoidollista motivaatiota - edes mahdollisesti 20 vuoden päästä. Toisaalta kurkunpään yläpuolella olevat rakenteet vaikuttavat ääneen äänihuulia monimutkaisemmin. Vaikka nykyiset mallinnukset puheesta sopivat hyvin mittausdataan, on vielä epäselvää, mitkä ääntöväylän ominaisuudet luovat yksilöllisen äänen.
- Yksi mielenkiintoinen esimerkki äänen ja anatomian suhteesta liittyy pehmeään suulakeen, joka säätelee nenään puheen aikana menevän ilman määrää. Toisinaan esimerkiksi syövän tai synnynnäisen vaurion vuoksi nenään pääsee jatkuvasti puheen aikana ilmaa ja syntyy nasaali ääni.
Edellä mainitun voi korjata niin, että eroa normaaliin tuskin kuulee. Arpeutumisen tai hermovaurion vuoksi kielen, huulien ja pehmeän suulaen liike voi kuitenkin muuttua huomattavasti.
- Mutta silloinkaan on vaikea tunnistaa äänen perusteella, että juuri leikkaus olisi tämän taustalla, sanoo Daniel Aalto.
Adeleksi Adelen paikalle?
Se, että vaikkapa Adelen ja potilaan äänihuulten massa ja pituus ja vieläpä ääntöväyläkin saataisiin vastaamaan toisiaan ei vielä pitkälle riitä. Hyvässä laulajassa on paljon muutakin kuin hyvin kehittyneet äänihuulet, muistuttaa dosentti Jarmo Malinen.
- Emme tiedä millä tavoin hermoston kautta tuleva syöte toimisi siinä eli millä tavoin laulaja kontrolloi kurkunpäätä. Vaikka kopioisimme jokaisen mekaanisen osan, emme voi kopioida musikaalisuutta, persoonaa tai koulutusta, että miten se ääni tuotetaan lihaksia käyttämällä, sanoo Jarmo Malinen.
Se hetki, että tulevaisuudessa kuka tahansa - tietenkin jo valmiiksi musikaalinen ihminen - voisi kirurgin veitsen kautta päästä Adeleksi tai David Bowieksi, on vielä kaukana. Ääntöväylän mallia rakennetaan niin, että lukuisten koehenkilöiden yksittäisiä vokaaleja käsitellään erillään toisistaan. Tutkimusryhmä on vielä kaukana elävän puheen mallintamisesta.
Risto-Pekka Happonen epäilee, että yksi yhteen lopputulokseen päästäisiin elävällä ihmisellä koskaan. Äänen synty lähtee jo keuhkoista, jotka ovat tavattoman monimutkainen rakennelma.
Kirurgista toimenpidettä helpompaa olisi tehdä synteettinen David Bowie signaalinkäsittelyllä ja unohtaa anatomian muokkaaminen tässä tarkoituksessa.
