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Classification du tonus de la toux basée sur l’apprentissage automatique : exploration diagnostique de la bronchopneumopathie chronique obstructive et des infections des voies respiratoires

DOI:

10.3791/68222

September 19th, 2025

In This Article

Summary

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Cette étude a permis de classer automatiquement deux catégories distinctes en acquérant des données sur les sons de la toux de patients diagnostiqués avec une bronchopneumopathie chronique obstructive (MPOC) et des infections des voies respiratoires (RTI), en utilisant une intégration de techniques de traitement du signal vocal et d’algorithmes d’apprentissage automatique.

Abstract

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L’objectif de cette étude était de développer et d’évaluer une méthode non invasive pour distinguer les patients atteints de bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) de ceux atteints d’infections des voies respiratoires (RTI) en utilisant l’analyse du signal vocal et l’apprentissage automatique. Des signaux vocaux fixes ont été recueillis auprès de 25 patients atteints de BPCO et de 25 patients atteints d’ATR (servant de groupe témoin/témoin). Une analyse multidimensionnelle des caractéristiques vocales a été effectuée pour identifier les caractéristiques différenciant significativement les deux groupes. Des caractéristiques statistiquement significatives ont été sélectionnées et soumises à une réduction de dimensionnalité. Les modèles de régression logistique (LR) et de forêt aléatoire (RF) ont ensuite été entraînés et évalués pour la performance de classification afin de distinguer la BPCO de la RTI. Plus de 400 fonctionnalités vocales ont été initialement analysées. Dix-huit caractéristiques ont montré des différences très significatives entre les patients atteints de BPCO et d’ATR (P < ; 0,05). Dans la tâche de distinguer les patients atteints de BPCO des patients RTI, le modèle LR a atteint une aire d’ensemble de test sous la courbe AUC de 0,95, surpassant significativement le modèle RF (AUC = 0,76). Cette étude démontre la faisabilité de l’utilisation de l’analyse vocale et de l’apprentissage automatique, en particulier le modèle LR, comme outil non invasif prometteur pour différencier la BPCO de l’ATR. Il fournit une base pour l’application pratique et l’optimisation ultérieure de cette approche basée sur la voix dans des contextes cliniques nécessitant un diagnostic différentiel des affections respiratoires.

Introduction

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La bronchopneumopathie chronique obstructive (BPCO) et les infections des voies respiratoires représentent des facteurs importants de mortalité et de morbidité à l’échelle mondiale. La BPCO est définie comme une maladie inflammatoire chronique affectant les voies respiratoires et le parenchyme pulmonaire, principalement induite par le tabagisme. Il se caractérise par des symptômes tels qu’une toux persistante, une dyspnée et une augmentation de la production d’expectorations1. L’Organisation mondiale de la santé prévoit que d’ici 2030, la MPOC sera la troisième cause de décès dans le monde, ce qui imposera un f....

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Protocol

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Le Comité d’éthique de l’Université de médecine chinoise de Pékin et de son troisième hôpital affilié a approuvé cette étude. Tous les participants ont fourni leur consentement éclairé écrit pour participer. Entre juillet et août 2024, une cohorte de 25 patients atteints de BPCO a été recrutée dans le département de médecine respiratoire du troisième hôpital affilié de l’Université de médecine chinoise de Pékin. Simultanément, un groupe témoin composé de 25 patients atteints d’une infection respiratoire supérieure typique a également été constitué.

1. Sélection des participants

  1. Critères d’inclus....

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Results

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Résultats de l’analyse des données

La recherche a réussi à isoler plus de 400 indices de caractéristiques de la parole à l’aide de méthodes telles que l’analyse dans le domaine temporel, l’analyse dans le domaine fréquentiel, l’extraction du coefficient cepstral de fréquence Mel (MFCC) et la modification des indicateurs de caractéristiques en fonction du diagnostic de la MTC. L’analyse du domaine temporel est un.......

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Discussion

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Cette étude examine des méthodes non invasives pour détecter la BPCO par l’analyse des signaux vocaux et des techniques d’apprentissage automatique. Il s’agissait de collecter des données vocales auprès de 25 patients atteints de BPCO et de 25 patients atteints de RTI. Les modèles ont été construits à l’aide d’algorithmes LR et RF. Les deux modèles ont montré une précision similaire dans la classification correcte des échantillons dans l’ensemble, mais la différence entre les valeurs AUC.......

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Disclosures

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Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts concernant la publication de cette étude. Aucun soutien financier ou non financier n’a été reçu d’une organisation commerciale qui aurait pu influencer les résultats ou l’interprétation de cette recherche. Tous les aspects de l’étude, y compris la conception, la collecte de données, l’analyse et la préparation du manuscrit, ont été menés indépendamment de toute influence extérieure.

Acknowledgements

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Cette étude a été financée par le projet du Fonds pour la science de la jeunesse de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (numéro d’approbation de projet : 82104739) et le programme de recherche scientifique de l’Administration provinciale de la médecine traditionnelle chinoise du Hebei (numéro de projet : B2025032). Les auteurs tiennent à remercier tous les enseignants et les élèves qui ont apporté leur aide pendant l’expérience.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Magnétophone numériqueZOOMH6Magasin audio ZOOM
GitHubGit2.47.1.2Site officiel
MatlabMathWorksR2024bSite officiel
PycharmJetBrains2024.1Site officiel
PythonPython3.12Site officiel

References

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  1. Roth, M. Pathogenesis of COPD. Part III. Inflammation in COPD. Int J Tuberc Lung Dis. 12 (4), 375-380 (2008).
  2. Alsayari, A., Muhsinah, A. B., Almaghaslah, D., Annadurai, S., Wahab, S. Pharmacological efficacy of ginseng against respiratory tract infections. Molecules.

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Cough Tone ClassificationMachine Learning DiagnosticsVoice Signal AnalysisChronic Obstructive PulmonaryRespiratory Tract InfectionsLogistic Regression ModelRandom Forest ModelPrincipal Component AnalysisVoice Feature ExtractionNon Invasive Diagnosis

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