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Classificazione del tono della tosse basata sull'apprendimento automatico: esplorazione diagnostica della broncopneumopatia cronica ostruttiva e delle infezioni del tratto respiratorio

DOI:

10.3791/68222

September 19th, 2025

In This Article

Summary

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Questo studio ha realizzato in modo efficace la classificazione automatizzata di due categorie distinte acquisendo dati sui suoni della tosse da pazienti con diagnosi di broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e infezioni del tratto respiratorio (RTI), utilizzando un'integrazione di tecniche di elaborazione del segnale vocale e algoritmi di apprendimento automatico.

Abstract

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L'obiettivo di questo studio era sviluppare e valutare un metodo non invasivo per distinguere i pazienti con broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) da quelli con infezioni del tratto respiratorio (RTI) utilizzando l'analisi del segnale vocale e l'apprendimento automatico. I segnali vocali a pattern fisso sono stati raccolti da 25 pazienti con BPCO e 25 pazienti con RTI (fungendo da gruppo di controllo/confronto). L'analisi multidimensionale delle caratteristiche vocali è stata eseguita per identificare le caratteristiche che differenziano significativamente i due gruppi. Le caratteristiche statisticamente significative sono state selezionate e sottoposte a riduzione della dimensionalità. I modelli di regressione logistica (LR) e foresta casuale (RF) sono stati quindi addestrati e valutati per le prestazioni di classificazione nel distinguere la BPCO dalla RTI. Inizialmente sono state analizzate oltre 400 funzioni vocali. Diciotto caratteristiche hanno mostrato differenze altamente significative tra i pazienti con BPCO e RTI (P <; 0,05). Nel compito di distinguere i pazienti con BPCO dai pazienti con RTI, il modello LR ha raggiunto un'area del set di test sotto l'AUC della curva di 0,95, superando significativamente il modello RF (AUC = 0,76). Questo studio dimostra la fattibilità dell'utilizzo dell'analisi vocale e dell'apprendimento automatico, in particolare del modello LR, come promettente strumento non invasivo per differenziare la BPCO dalla RTI. Fornisce una base per l'applicazione pratica e l'ulteriore ottimizzazione di questo approccio basato sulla voce in contesti clinici che richiedono una diagnosi differenziale delle condizioni respiratorie.

Introduction

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La broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) e le infezioni delle vie respiratorie contribuiscono in modo significativo alla mortalità e alla morbilità su scala globale. La BPCO è definita come una condizione infiammatoria cronica che colpisce le vie aeree e il parenchima polmonare, prevalentemente indotta dal fumo. È caratterizzata da sintomi come tosse persistente, dispnea e aumento della produzione di espettorato1. L'Organizzazione Mondiale della Sanità prevede che entro il 2030 la BPCO sarà la terza causa di morte in tutto il mondo, imponendo un notevole onere economico 2,3

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Protocol

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Il Comitato Etico dell'Università di Medicina Cinese di Pechino e il suo terzo ospedale affiliato hanno approvato questo studio di ricerca. Tutti i partecipanti hanno fornito il loro consenso informato scritto alla partecipazione. Tra luglio e agosto 2024, una coorte di 25 pazienti con BPCO è stata reclutata dal Dipartimento di Medicina Respiratoria del Terzo Ospedale Affiliato dell'Università di Medicina Cinese di Pechino. Contemporaneamente, è stato assemblato anche un gruppo di controllo composto da 25 pazienti con RTI superiore tipico.

1. Selezione dei partecipanti

  1. Criteri di inclusione
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Results

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Risultati dell'analisi dei dati

La ricerca ha isolato con successo oltre 400 indici di caratteristiche vocali utilizzando metodi come l'analisi nel dominio del tempo, l'analisi nel dominio della frequenza, l'estrazione del coefficiente cepstrale di frequenza Mel (MFCC) e l'alterazione degli indicatori di caratteristica in base alla diagnosi di MTC. L'analisi del dominio del tempo è un elemento cruciale nell'elab.......

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Discussion

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Questo studio indaga metodi non invasivi per rilevare la BPCO attraverso l'analisi del segnale vocale e le tecniche di apprendimento automatico. Ha comportato la raccolta di dati vocali da 25 pazienti con BPCO e 25 pazienti con RTI. I modelli sono stati costruiti utilizzando algoritmi LR e RF. Entrambi i modelli hanno mostrato un'accuratezza simile nella corretta classificazione dei campioni nel complesso, ma la differenza nei valori di AUC indica che il modello LR potrebbe offrire un eq.......

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Disclosures

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Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse in merito alla pubblicazione di questo studio. Non è stato ricevuto alcun sostegno finanziario o non finanziario da alcuna organizzazione commerciale che possa aver influenzato i risultati o l'interpretazione di questa ricerca. Tutti gli aspetti dello studio, tra cui la progettazione, la raccolta dei dati, l'analisi e la preparazione del manoscritto, sono stati condotti indipendentemente da qualsiasi influenza esterna.

Acknowledgements

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Questo studio è stato supportato dal National Natural Science Foundation of China Youth Science Fund Project (numero di approvazione del progetto: 82104739) e dal programma di ricerca scientifica dell'amministrazione provinciale di medicina tradizionale cinese dell'Hebei (numero di progetto: B2025032). Gli autori ringraziano tutti gli insegnanti e gli studenti che hanno fornito assistenza durante l'esperimento.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Registratore digitaleZOOMH6Negozio audio ZOOM
GitHubGit2.47.1.2Sito ufficiale
MatlabMathWorksR2024bSito ufficiale
PycharmJetBrains2024.1Sito ufficiale
PitonePitone3.12Sito ufficiale

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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