Исследователи из Орегонского университета здравоохранения и науки обнаружили, что некоторые характеристики голоса различаются у здоровых людей и людей с поражениями голосовых связок. Исследование, опубликованное в журнале Frontiers in Digital Health , указывает на будущее, в котором анализ голоса может стать быстрым методом скрининга, особенно ценным для жителей сельской местности , которым сложно добраться до специализированных врачей-отоларингологов.
Насколько распространены поражения голосовых связок и как их диагностируют сегодня?
По данным американского медицинского справочника StatPearls, в 2017 году было зарегистрировано 13 150 случаев рака гортани и 3710 смертей от него. В то же время, популяционное исследование показало, что распространенность доброкачественных образований голосовых складок среди опрошенных составила 12,47%. Эти заболевания могут создавать серьезные проблемы для учителей , певцов , продавцов и всех, чья карьера зависит от четкой речи.
Современная диагностика требует дорогостоящего оборудования и посещения специализированных клиник, которых во многих сельских районах просто нет. Пациентам приходится проходить ларингоскопию — процедуру, при которой врачи вводят зонд через нос или рот для непосредственного осмотра голосовых связок. К тому времени, как пациенты замечают изменения голоса, их состояние может уже значительно ухудшиться.
- «Одним из первых симптомов, проявляющихся у пациентов с органическими поражениями голосовой щели, является дисфония», — отметили исследователи, имея в виду проблемы с голосом, затрудняющие речь. Доступ к специализированной помощи «может быть ограничен за пределами крупных городских центров с междисциплинарными голосовыми клиниками».
Звуки голоса, речи и дыхания дают клиническую информацию о состоянии здоровья пациентов. В эпоху искусственного интеллекта аудиозаписи пациентов исследуются в качестве цифровых биомаркеров для раннего выявления широкого спектра заболеваний, включая патологию гортани, неврологические и психологические расстройства, рак головы и шеи, а также диабет.
Голосовые связки (также называемые голосовыми связками) — это две небольшие полосы мышечной ткани, расположенные в гортани, или голосовом аппарате, расположенном в верхней части трахеи на шее. Когда вы говорите, поёте или издаёте любой другой звук, воздух из лёгких проходит через эти складки, заставляя их быстро вибрировать.
Подобно тому, как гитарные струны вибрируют, создавая звук при защипывании, ваши голосовые связки вибрируют при прохождении через них воздуха. Чем быстрее они вибрируют, тем выше ваш голос. У мужчин голосовые связки, как правило, длиннее и толще, которые вибрируют медленнее, что обеспечивает более низкий голос. У женщин связки, как правило, короче и тоньше, которые вибрируют быстрее, что обеспечивает более высокий голос.
Когда вы не говорите, ваши голосовые связки раздвинуты, позволяя вам свободно дышать. Но когда вы говорите, мышцы сжимают их, так что воздуху приходится протискиваться через узкую щель между ними, создавая вибрации, которые и становятся вашим голосом.
Проблемы с голосовыми связками могут изменить звучание вашего голоса. Отёки, разрастания, такие как узелки или полипы, а также более серьёзные заболевания, такие как рак, могут нарушить вибрацию связок, что приводит к охриплости, одышке и другим изменениям голоса. Именно поэтому врачи заинтересованы в использовании анализа голоса для раннего выявления этих проблем.
Как ученые тестировали голосовые биомаркеры
Исследователи проанализировали записи 176 участников из пяти североамериканских медицинских центров, используя набор данных Bridge2AI-Voice. Каждый из них прочитал «Радужную фразу» — стандартный абзац, содержащий все звуки английского языка, которые специалисты по речи используют для оценки голоса .
Команда изучила четыре параметра голоса: чёткость голоса (соотношение гармоник к шуму, HNR), джиттер (колебания высоты тона), мерцание (изменения громкости) и высоту голоса (основную частоту). Среди них выделялся HNR и его изменчивость. При нормальной работе голосовых связок они создают регулярные звуковые волны, обеспечивающие чёткую речь. Повреждения нарушают этот процесс, вызывая появление нерегулярных шумов и звуков дыхания. Соотношение чистого звука и фонового шума становится потенциальным показателем здоровья голосовых связок.
Измерения разборчивости голоса сравнивают соотношение регулярных колебаний голосовых связок во время речи с фоновым шумом, возникающим из-за турбулентности при прохождении воздуха через голосовую щель. Возможным источником этой турбулентности является неправильное смыкание голосовых связок.
Результаты: более четкий голос у мужчин, меньше признаков у женщин
Сравнив записи голоса, исследователи обнаружили чёткие различия между людьми со здоровым голосом и людьми с доброкачественными новообразованиями голосовых связок. Эти различия наиболее ярко проявились при измерении HNR. Они также обнаружили, что общий тон голоса у этих групп различался.
При сравнении доброкачественных новообразований с раком гортани единственной статистически достоверной разницей оказалась стабильность показателя разборчивости голоса (изменчивость HNR).
У мужчин эти различия были особенно заметны. Мужчины с доброкачественными новообразованиями отличались как от здоровых мужчин, так и от больных раком, главным образом тем, что в их голосах присутствовал более нерегулярный фоновый шум
У женщин исследование не выявило значимых различий. Исследователи объяснили это, возможно, тем, что в исследовании участвовало недостаточное количество женщин, чтобы сделать однозначные выводы. Только две женщины попали в подгруппу «рак гортани без других заболеваний», что сделало достоверные сравнения практически невозможными.
Потенциальное использование: голосовой скрининг как инструмент сортировки пациентов (не диагноз)
Голосовой скрининг может помочь расширить доступ к медицинскому обслуживанию, особенно для малообеспеченных групп населения, у которых нет специализированных клиник по голосовой терапии. Приложения для смартфонов могут анализировать записи голоса, врачи общей практики могут проводить голосовой скрининг во время плановых осмотров, а платформы телемедицины могут сообщать об изменениях голоса для дальнейшей оценки.
Эта технология будет особенно полезна для групп риска: курильщиков, людей с хроническим рефлюксом , людей, часто подвергающихся травмам голоса, и людей, чья профессия связана с интенсивным голосовым взаимодействием. Регулярный мониторинг голоса позволит выявить проблемы до того, как они станут серьёзной угрозой для здоровья.
Недавние достижения искусственного интеллекта сделали анализ голоса ещё более сложным. Исследования показывают, что свёрточные нейронные сети и модели глубокого обучения, обученные на спектрограммах, могут классифицировать заболевания гортани, включая ранний рак гортани, давая многообещающие результаты, используя стандартные записи микрофона или даже образцы голоса, снятые на смартфон.
Исследователи подчеркнули, что голосовой скрининг дополнит, а не заменит традиционные методы диагностики. «Хотя для окончательного диагноза по-прежнему требуется визуализация, проверенный инструмент голосового скрининга на основе ИИ может служить механизмом сортировки пациентов», — отметили они.
Такой инструмент мог бы выявлять людей с незначительными изменениями голоса, которые в противном случае не обратились бы за медицинской помощью. В отличие от человеческого уха, которое не всегда может надёжно различать незначительные патологические изменения, модель ИИ может обеспечить последовательный и масштабируемый анализ голоса для различных групп населения.
«Основными ограничениями данного исследования были небольшой размер выборки и неполный анамнез поражений у участников», — признали исследователи. «Несмотря на эти ограничения, исследование даёт ценную информацию о возможности использования голосовых биомаркеров в качестве ранних индикаторов поражений голосовых складок».
В будущих исследованиях необходимо охватить более широкие и разнообразные выборки и изучить дополнительные характеристики голоса, которые могут оказаться полезными для женщин и недостаточно представленных групп. Кроме того, пол участников играл роль в результатах, что следует учитывать при дальнейшем отборе участников, чтобы избежать предвзятости наборов данных.
Тем не менее, эти результаты приближают учёных к тому, чтобы сделать голос рутинным инструментом мониторинга здоровья, таким же распространённым, как измерение артериального давления или температуры. Для миллионов людей, подверженных риску поражения голосовых связок, скрининг здоровья по голосу может стать решающим фактором между ранним выявлением заболевания и его прогрессированием.
