본 연구는 음성 신호 처리 기술과 머신러닝 알고리즘의 통합을 활용하여 만성폐쇄성폐질환(COPD)과 호흡기 감염(RTI) 진단을 받은 환자로부터 기침음 데이터를 획득하여 두 가지 범주의 자동 분류를 효과적으로 달성했습니다.
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방법 논문
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본 연구는 음성 신호 처리 기술과 머신러닝 알고리즘의 통합을 활용하여 만성폐쇄성폐질환(COPD)과 호흡기 감염(RTI) 진단을 받은 환자로부터 기침음 데이터를 획득하여 두 가지 범주의 자동 분류를 효과적으로 달성했습니다.
본 연구의 목적은 음성 신호 분석과 머신러닝을 이용하여 만성폐쇄성폐질환(COPD) 환자와 호흡기 감염(RTI) 환자를 구별하는 비침습적 방법을 개발하고 평가하는 것이다. 고정 패턴 음성 신호는 COPD 환자 25명과 RTI 환자 25명(대조군/비교군 사용)으로부터 수집되었습니다. 두 그룹을 크게 구별하는 특징을 식별하기 위해 다차원 음성 특징 분석을 수행했습니다. 통계적으로 유의미한 특징을 선택하고 차원 축소를 적용했습니다. 그런 다음 LR(Logistic Regression) 및 RF(Random Forest) 모델을 훈련하고 COPD와 RTI를 구별하는 분류 성능을 평가했습니다. 처음에는 400개 이상의 음성 기능이 분석되었습니다. 18개의 특징은 COPD와 RTI 환자 사이에 매우 유의미한 차이를 보였습니다(P <; 0.05). COPD 환자와 RTI 환자를 구별하는 작업에서 LR 모델은 0.95의 곡선 아래 테스트 세트 면적을 달성하여 RF 모델(AUC = 0.76)을 크게 능가했습니다. 이 연구는 음성 분석 및 기계 학습, 특히 LR 모델을 COPD와 RTI를 구별하기 위한 유망한 비침습적 도구로 사용할 가능성을 보여줍니다. 이는 호흡기 질환의 감별 진단이 필요한 임상 환경에서 이 음성 기반 접근 방식의 실제 적용 및 추가 최적화를 위한 기반을 제공합니다.
만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 호흡기 감염은 전 세계적으로 사망률과 이환율에 중요한 영향을 미칩니다. COPD는 주로 흡연에 의해 유발되는 기도와 폐 실질에 영향을 미치는 만성 염증 상태로 정의됩니다. 지속적인 기침, 호흡곤란, 가래 생성 증가 등의 증상이 특징입니다1. 세계보건기구(WHO)는 2030년까지 COPD가 전 세계 세 번째 주요 사망 원인으로 선정되어 상당한 경제적 부담을 안겨줄 것으로 예상합니다 2,3. 대조적으로, 호흡기 감염(RTI)은 전 세계 질병 부담의 약 6%를 차지하며 허혈성 심장 질환, HIV 감염, 암, 말라리아 및 설사 질환과 관련된 부담을 능가합니다4.
두 질병의 임상 증상, 특히 만연한 증상인 기침의 증상에서 상당한 유사성으로 인해 효과적인 치료를 위해서는 이들 질병의 조기에 정확한 감별이 필수적입니다 5,6. 전통적인 진단 접근법은 주로 임상 증상 평가, 폐 기능 검사 및 실험실 분석에 의존합니다7. COPD에 대한 기존의 진단 방법은 상태를 식별하고 평가하는 데 효과적이지만 임상 실습에서는 몇 가지 한계를 나타냅니다. 이러한 한계에는 부적절한 진단 정확도, 조기 진단을 위한 제한된 능력, 질병 이질성에 대한 불충분한 이해 및 동적 모니터링 부족이 포함됩니다 8,9,10,11. COPD에 대한 전통적인 진단 방법과 달리 음성 진단 기술은 새로운 보조 도구로서 특히 조기 발견, 비침습적 진단 및 동적 모니터링 측면에서 수많은 이점을 제공합니다.
음성 분석, 특히 기침 소리의 자동 분석이 발전함에 따라 신속한 진단 응용 분야의 잠재력이 떠오르고 있습니다. 연구에 따르면 기침 소리는 기도 건강 상태의 변화를 반영하는 음향적 특징과 함께 폐 질환에 관한 광범위한 정보를 요약합니다12. 최근에는 음성 특징 분석을 위한 기계 학습 기반 기술이 COPD 및 기타 상태를 진단하는 데 사용되어 주목할만한 결과를 낳았습니다 13,14,15. 이러한 방법론은 기침 소리에서 주파수, 지속 시간, 진폭과 같은 오디오 특징을 추출하고 이를 패턴 인식을 위한 기계 학습 알고리즘과 통합함으로써 질병의 효과적인 분류를 용이하게 합니다.
질병 진단에서 기침 소리 분석의 잠재력을 조사하는 일부 연구에도 불구하고 COPD 환자와 RTI 환자를 구별하는 데는 중요한 과제가 남아 있습니다. 이러한 어려움은 두 그룹의 기침 소리의 중복 특성으로 인해 발생하며 개인차로 인해 더욱 복잡해집니다. 결과적으로, 기침 소리에서 보다 정확하고 구별 가능한 특징을 추출하는 방법의 개발은 이 영역에서 여전히 중요한 문제로 남아 있습니다.
본 연구는 COPD 진단을 받은 환자 25명과 RTI 환자 25명의 음성을 녹음하여 기침음에 대한 자동 분류 방법을 조사하고자 합니다. 음성 특징 분석과 머신러닝 알고리즘을 통합하여 질병 감별의 정확도를 높여 COPD 및 RTI의 조기 진단 능력을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
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베이징 중의과대학 윤리위원회와 제3부속병원은 이 연구를 승인했습니다. 모든 참가자는 참여에 대한 서면 동의서를 제공했습니다. 2024년 7월부터 8월까지 베이징 중의과대학 제3부속병원 호흡기내과에서 25명의 COPD 환자 코호트를 모집했습니다. 동시에 전형적인 상부 RTI를 가진 25명의 환자로 구성된 대조군도 구성되었습니다.
1. 참가자 선정
2. 연구 설계
3. 보컬 기능 저장소 개발
참고: 음성 기능 지표 데이터베이스는 COPD와 RTI의 음성 패턴을 비교 분석하기 위한 음향 특성 모음입니다. 방법론적 아키텍처는 표 1에 자세히 설명되어 있습니다. 구성을 위한 오픈 소스 코드베이스가 구현되었으며 GitHub(https://github.com/Liteng811/speech-feature-index-database-construction)에서 액세스할 수 있습니다. 아래 단계에서는 코드의 다운로드 및 실행에 대해 자세히 설명합니다.
4. 데이터 분석
참고: 음성 특징 지표 데이터베이스를 조립한 후 통계 분석을 수행했습니다. 분석 접근 방식은 표 2에 요약되어 있습니다. Mann-Whitney U 테스트는 COPD와 RTI 그룹 간의 음성 신호 특징의 차이를 평가하는 데 사용되었습니다.
5. 로지스틱 회귀(LR) 및 랜덤 포레스트(RF) 모델 구축
참고: LR 및 RF 모델을 구성하기 위한 구체적인 방법론적 프레임워크는 표 3에 자세히 설명되어 있습니다. 한편, 본 연구의 LR 및 RF 모델은 GitHub(https://github.com/Liteng811/The-distinction-between-COPD-and-respiratory-infections)에 업로드되었습니다. 다음은 주로 GitHub에서 코드를 다운로드하고 실행하는 방법을 설명합니다. RF 모델은 Python 3.12.3을 기본 프로그래밍 언어로 사용하여 구성되었습니다.
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데이터 분석 결과
이 연구는 시간 영역 분석, 주파수 영역 분석, 멜 주파수 절충 계수(MFCC) 추출, TCM 진단에 따른 특징 지표 변경과 같은 방법을 사용하여 400개 이상의 음성 특징 지수를 성공적으로 분리했습니다. 시간 영역 분석은 음성 신호 처리에서 중요한 요소이며, 신호 시계열 데이터를 직접 조작하여 에너지, 오버제로 속도, 선형 추세 및 엔벨로프, 자기 상관 연구, 진폭 변조 등과 같은 신호 속성을 직관적으로 이해하는 데 중점을 둡니다 16,17,18,19,20
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본 연구는 음성 신호 분석 및 머신러닝 기술을 통해 COPD를 감지하는 비침습적 방법을 조사합니다. 여기에는 25명의 COPD 환자와 25명의 RTI 환자로부터 음성 데이터를 수집하는 것이 포함되었습니다. 모델은 LR 및 RF 알고리즘을 사용하여 구성되었습니다. 두 모델 모두 샘플을 전반적으로 올바르게 분류하는 데 유사한 정확도를 보였지만 AUC 값의 차이는 LR 모델이 민감도와 특이도 사이에서 우수한 균형을 제공할 수 있음을 나타냅니다. 다음 섹션에서는 연구 결과에 대한 자세한 조사를 제공합니다.
연구에 따르면 LR 모델은 테스트 세트에서 90%의 정확도를 달성한 반면 RF 모델은 80%를 달성했으며 LR 모델은 AUC 값 0.95에 해당하고 RF 모델은 AUC 값 0.76에 해당합니다. 이는 LR 모델의 고유한 단순성으로 인해 과적합에 대한 저항력이 더 강하고 작은 데이터 시나리오에서 견고성이 높아져 정확한 분류를 ...
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저자는 이 연구의 출판과 관련하여 이해 상충이 없음을 선언합니다. 이 연구의 결과나 해석에 영향을 미칠 수 있는 상업 조직으로부터 재정적 또는 비재정적 지원을 받지 않았습니다. 설계, 데이터 수집, 분석 및 원고 준비를 포함한 연구의 모든 측면은 외부 영향과 독립적으로 수행되었습니다.
이 연구는 중국 국가자연과학재단 청소년 과학 기금 프로젝트(프로젝트 승인 번호: 82104739)와 허베이성 한의학 관리국 과학 연구 프로그램(프로젝트 번호: B2025032)의 지원을 받았습니다. 저자는 실험 기간 동안 도움을 주신 모든 교사와 학생들에게 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.
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