Способ определения изменений голосовой функции человека
Владельцы патента RU 2598051:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тихоокеанский государственный медицинский университет" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБОУ ВО ТГМУ Минздрава России) (RU)
Изобретение относится к медицине, а именно к оториноларингологии и пульмонологии, и может быть использовано для определения изменений голосовой функции человека. С помощью компьютерной программы Specta PLUS осуществляется акустический анализ голоса пациентов. При этом проводят определение характеристик частоты основного тона, максимального времени фонации и участков голосового шума. Определение проводят последовательно в динамике. При увеличении на 10-й день лечения частоты основного тона до 142,6±15,2, максимального времени фонации до 20,5±2,9, участков голосового шума до "+" определяют улучшение голосовой функции человека. Способ позволяет доступно, достоверно и быстро проводить объективное определение изменений голосовой функции человека при ХОБЛ, провести динамическое наблюдение, определить объем необходимых диагностических и реабилитационных мероприятий, оценить эффективность лечебных мероприятий за счет использования. компьютерной программы Specta PLUS и оценки наиболее значимых показателей. 2 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области диагностической медицины, а именно к оториноларингологии, пульмонологии, и может быть использовано для определения изменений голосовой функции человека в качестве критерия эффективности лечения заболеваний верхних и нижних дыхательных путей у пациентов с хронической обструктивной болезнью легких (ХОБЛ), в оценке голосовой функции курильщика для диагностики ХОБЛ, а также как критерий диагностики воспалительных заболеваний верхних и дыхательных путей и ХОБЛ. Может быть также использовано в области предиктивной (предупредительной) и профилактической медицины, а также при экспертизе голоса у лиц с воспалительными заболеваниями голосового аппарата, позволяя исследовать одновременно несколько физических параметров, характеризующих не только состояние голосовой функции, но и вокальные возможности исследуемого (например, у профессионалов голоса).
Акустическому анализу голоса посвящено большое количество научных работ. Определены важнейшие акустические характеристики вокальных гласных, такие как частота основного тона, высокая певческая форманта, динамический диапазон, время максимальной фонации, нестабильность голоса по частоте и амплитуде, частотный и динамический диапазон голоса [3; 4].
Существует акустический анализ голоса пациентов с функциональной дисфонией по гипотонусному типу [1]. Исследование пациентов с функциональной дисфонией по гипотонусному типу с помощью аппаратно-программного комплекса «Multi-Speech» показало, что наиболее значимыми критериями данного состояния являются два показателя: это относительная оценка измерения размаха амплитуды от периода к периоду в пределах анализируемого образца коэффициентом сглаживания в 11 периодов (APQ) и относительная оценка изменения высоты от периода к периоду в пределах анализируемого образца с коэффициентом сглаживания в 5 периодов (PPQ) что, по мнению авторов исследования, свидетельствует о нарушении фонаторной функции. Недостатком данной работы является отсутствие в группе исследуемых пациентов с воспалительной патологией гортани и нижних дыхательных путей, а также высокая стоимость программно-аппаратного комплекса для проведения исследования.
Известен способ определения состояния голосовых складок у пациентов с опухолями гортани [6], заключающийся в фонировании испытуемым гласных звуков речи с последующим спектральным анализом и определении разности между частотами основного тона голоса для каждой воспроизводимой гласной фонемы. Обрабатываемый акустический сигнал пропускается через полосовые фильтры с полосой пропускания не более 1%. В случае злокачественного новообразования гортани эта разность будет существенно отличаться от данных нормы. Однако известный способ может применяться только к лицам со злокачественными опухолями гортани.
Известен метод акустического анализа [9], которым исследуют звуки, возникающие при дыхании у лиц без патологии дыхательных путей и у пациентов, страдающих заболеваниями легких. Вычисляется акустический эквивалент работы дыхательных мышц в различных частотных диапазонах. Формирование образцов дыхания здоровых лиц и больных заболеваниями легких позволяет проводить сравнительный акустический спектральный анализ дыхательных звуков, используемый как критерий эффективности проводимой терапии [7]. К подобным методам можно отнести спектральный анализ звуков кашля [8]. Он заключается в регистрации звуков кашля компьютером, имеющим специальную программу, осуществляющую анализ спектра звуков 3-х кашлей и вычисляющий среднее значение коэффициента q, отражающего отношение суммарной энергии низких, средних частот к энергии высоких частот акустического сигнала кашля, до и после лечения. У больных бронхолегочной патологией об эффективности лечения можно говорить в том случае, если коэффициент q после лечения достигает нормальных значений. Недостатком известного способа является характеристика звуков, возникающих только при дыхании или кашле, при этом не определяется непосредственно фонаторная функция гортани.
Известен способ выявления неподвижности голосовой складки для ранней диагностики злокачественных новообразований гортани [5], взятый за прототип, сущность которого заключается в фонировании испытуемым гласных звуков речи с последующим акустическим анализом и определении разности между частотами основного тона голоса для каждой воспроизводимой гласной фонемы. Обрабатываемый акустический сигнал пропускается через полосовые фильтры с полосой пропускания не более 1%. В случае злокачественного новообразования гортани эта разность будет существенно отличаться от данных нормы.
Недостатком прототипа является диагностика только злокачественных заболеваний гортани, не отражается эффективность лечебных мероприятий при воспалительных заболеваниях гортани, динамика улучшения или восстановления фонаторной функции, невозможность использования в экспертизе нетрудоспособности.
Задача заявляемого изобретения состоит в создании простого, доступного, скринингового метода диагностики - определение изменений голосовой функции человека.
Поставленная задача достигается заявленным способом, сущность которого заключается в том, что акустический анализ голоса пациентов с заболеваниями гортани и воспалением нижних дыхательных путей или только заболеванием гортани осуществляется с помощью компьютерной программы Specta PLUS (FFT Spectral Analysis System), определяя такие характеристики, как частоту основного тона (ЧОТ) и максимальное время фонации (МВФ). Голос пациента, записанный с микрофона, самостоятельно обрабатывается программой, звук раскладывается на частотные составляющие в виде нескольких параллельных линий, самой нижней из которых будет частота основного тона, измеряемая в герцах (Hz) (фиг. 1), она же, при предельно длительной фонации, будет максимальным временем фонации, измеряемым в секундах (фиг. 2), при этом полосовые фильтры не используются, разность между частотами основного тона, как в прототипе, не определяется.
Способ определения изменений голосовой функции человека, включающий измерения параметров изменений функции гортани на основе акустического анализа с помощью компьютерной программы Specta PLUS заключается в том, что измерения параметров акустического анализа состояния голосообразующей функции и/или органов дыхания при экспертизе голоса проводят у пациентов ХОБЛ, определяя характеристики частоты основного тона и максимальное время фонации, участки голосового шума, последовательно в динамике - до начала терапии заболевания, на 5- и на 10-й день, причем частота основного тона изменяется от 116,7±12,3 до 142,6±15,2, максимальное время фонации изменяется от 14,1±1,9 до 20,5±2,9, участки голосового шума изменяются от ++++ до +, кроме того, акустический анализ можно производить дистанционно, а также проводить лечение с последующим планированием реабилитационных мероприятий.
Технический результат заключается в создании доступного способа определения изменений голосовой функции человека, невысокой стоимости (либо ее полное отсутствие) компьютерной программы, в простоте и непродолжительности обследования больного, которая занимает около 5 минут, включая обработку полученных данных; отсутствие необходимости в специальной подготовке врача и пациента; возможность хранения, распечатывания данных исследования, просмотра их в динамике, пересылки по электронной почте.
Сопоставительный анализ заявляемого способа с прототипом показывает, что заявляемый способ позволяет за невысокую стоимость либо ее полное отсутствие (на приобретение аппаратно-программного комплекса для проведения исследования) определять изменения голосовой функции человека (скрининг) и вокальную составляющую (касается профессионалов голоса), а также определять непосредственно фонаторную функцию гортани у пациентов именно с воспалительными заболеваниями гортани и органов дыхания, ХОБЛ, определять динамику лечения - эффективность лечебных мероприятий при воспалительных заболеваниях гортани, динамику улучшения или восстановления фонаторной функции, корректировать медикаментозную терапию, спланировать реабилитационные мероприятия, может быть использование в экспертизе нетрудоспособности. Кроме того, следует отметить, что именно при нашем способе в режиме реального времени в наушники пациента может производится подача акустического образа его измененной речи (демонстрация пациенту состояния его голоса) либо в режиме реального времени в наушники пациента производится подача акустического образа его нормальной неизмененной речи (запись голоса здорового человека, сходного по тендерным и антропометричеким параметрам, которая хранится в фонотеке врача). В качестве мотивационно-профилактического мероприятия пациенту могут быть продемонстрированы обе аудиозаписи (его и образец), а также спектральная картина (график) с отметкой отклонений от нормы, по которой можно судить о патологическом процессе у данного индивидуума, что может служить основой для осознания пациентом проблемы со здоровьем и помочь ему (выступить мотивацией) для последующего отказа от курения, профилактики и лечения. Способ позволяет записывать голос с помощью любой программы записи звука (например, программа NERO Wave Editor) любым аудиозаписывающим устройством или мобильным телефоном, принимать, накапливать и передавать (пересылать) голосовые сообщения от пациента врачу, находящемуся на расстоянии. Способ позволяет автоматически обеспечить связь между пациентом и врачом, находящимися в зоне достижимости при помощи сети глобальной системы мобильной связи через оборудование оператора сотовой связи, при помощи сети Интернет на сервер от мобильного терминала связи сообщения с идентификатором объекта, а также через программу «WhatsApp» (для этого необходимо загрузить в сотовый телефон данную программу).
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена спектрограмма гласных «а, е, и, о, у», 1 - указывает частоту основного тона, в децибелах; 2 - нормальные обертоны; на фиг. 2 изображена спектрограмма максимального времени фонации, в секундах.
Осуществление способа.
Пациент садится перед микрофоном, соединенным с персональным компьютером, имеющим специальную программу Specta PLUS (FFT Spectral Analysis System, официальный сайт программы http://www.spectraplus.com/Pricinglnfo.htm).
Исследуемому предлагается произнести обычные гласные «а, е, и, о, у». С помощью программы Specta PLUS на экране компьютера каждая из этих гласных разбивается на несколько частотных составляющих, называемых спектрограммой, которая показывает зависимость частоты звука от времени, частота основного тона будет самой нижней составляющей, то есть первой гармоникой речевого сигнала (фиг. 1). Для мужчин она обычно лежит в диапазоне от 80 до 210 Гц, для женщин - тот 150 до 320 Гц. Кроме того, следует отметить, что в режиме реального времени в наушники пациента может производится подача акустического образа его измененной речи (демонстрация пациенту состояния его голоса) либо в режиме реального времени в наушники пациента производится подача акустического образа его нормальной неизмененной речи (запись голоса здорового человека, сходного по тендерным и антропометричеким параметрам, которая хранится в фонотеке врача). В качестве мотивационно-профилактического мероприятия пациенту могут быть продемонстрированы обе аудиозаписи (его и образец), а также спектральная картина (график) с отметкой отклонений от нормы, по которой можно судить о патологичеком процессе у данного индивидуума, что может служить основой для осознания пациентом проблемы со здоровьем и помочь ему (выступить мотивацией) для последующего отказа от курения, профилактики и лечения.
Определение максимального времени фонации выполнялось подобным образом. Пациент обычным для себя голосом максимально длительно произносил гласный звук «а». Для мужчин это время составило 25-35 секунд, для женщин - 15-25 секунд. Исследование проводилось до начала лечения, на 5-й день лечения и по окончании курса терапии.
Способ позволяет записывать голос с помощью любой программы записи звука (например, программа NERO Wave Editor) с помощью любого аудиозаписывающего устройства или мобильного телефона, принимать, накапливать и передавать (пересылать) голосовые сообщения от пациента врачу, находящемуся на расстоянии. Способ позволяет автоматически обеспечить связь между пациентом и врачом, находящимися в зоне достижимости при помощи сети глобальной системы мобильной связи через оборудование оператора сотовой связи, при помощи сети Интернет на сервер от мобильного терминала связи сообщения с идентификатором объекта и через программу «WhatsApp».
Пример реализации способа.
К исследованию было привлечено 66 человек, из которых 44 пациента с ХОБЛ (в период обострения) и ларингитом (острым либо обострением хронического заболевания), вошедших в основную группу, и 44 практически здоровых человека, без патологии дыхательных путей, включенных в контрольную группу.
Обе группы сопоставимы по возрасту и полу. Всем пациентам было проведено исследование частоты основного тона (ЧОТ) гласных звуков «а, е, и, о, у», максимальное время фонации (МВФ) гласного звука «а» с помощью Specta PLUS (FFT Spectral Analysis System). Для основной группы акустический анализ звуков проводился до начала лечения, на 5-й и 10-й день лечения, для контрольной группы в первый, пятый и десятый день.
Результаты исследования интерпретировались врачом. Продолжительность времени акустического анализа голоса пациента составляла около 3-х минут.
Из таблицы видно, что у лиц основной группы, ЧОТ в процессе лечения увеличивалась, уменьшались участки голосового шума (УГШ), увеличивалось МВФ. У лиц в контрольной группе в результате исследования на 5- и 10-й день показатели практически не изменились. В основной группе до начала лечения было зафиксировано сокращенное МВФ, уменьшенное ЧОТ и появление на спектрограмме УГШ, что отсутствовало у лиц контрольной группы. В процессе лечения заболевания у пациентов основной группы на 5-й и 10-й день имеется отчетливая динамика увеличения ЧОТ, МВФ, уменьшения УГШ, что происходило параллельно с клиническим улучшением в самочувствии больных. Основным различием между участниками основной и контрольной групп было наличие острого или хронического заболевания гортани и наличия обострения ХОБЛ.
Пример частной реализации способа.
Обследован пациент Б. (основная группа №1) с обострением хронического заболевания гортани. Пациенту было проведено исследование ЧОТ гласных звуков «а, е, и, о, у», МВФ гласного звука «а» с помощью Specta PLUS (FFT Spectral Analysis System). Акустический анализ звуков проводился до начала лечения, на 5-й и 10-й день лечения. Результаты исследования интерпретировались врачом. Продолжительность времени акустического анализа голоса пациента составляла около 3-х минут.
Из таблицы видно, что у пациента Б. ЧОТ в процессе лечения увеличивалась, уменьшались участки голосового шума (УГШ), увеличивалось МВФ, что происходило параллельно с клиническим улучшением в самочувствии больного.
Заявляемый способ не требует приобретения дорогостоящего аппаратно-программного комплекса для проведения акустического анализа голоса, используемая компьютерная программа Specta PLUS находится в свободном доступе в сети Интернет и имеет доступную стоимость либо ее полное отсутствие.
Заявляемый способ позволяет в короткий срок проводить объективное определение изменений голосовой функции человека (голоса), при таких патологических состояниях, как ХОБЛ и ларингит, получить достоверную информацию о состоянии голосообразующих органов дыхания у пациентов с ХОБЛ и выраженности патологических изменений, провести динамическое наблюдение, определить объем необходимых диагностических мероприятий, в период начала терапии заболевания, оценить эффективность или неэффективность, либо недостаточную эффективность лечебных мероприятий лечащим врачом, страховой компанией, планировать реабилитационные мероприятия, осуществлять экспертизу нетрудоспособности у лиц соответствующих профессий, а также экспертную оценку голоса.
Источники информации
1. Акустический анализ голоса пациентов с функциональной дисфонией по гипотонусному типу / А.Ю. Юрков (и др.). // Рос. Оториноларингология. - 2010 - №1. (приложение). - С. 421-425.
2. Рябова М.А., Немых О.В. Хронический ларингит. СПб.: Диалог, 2010. 140 с.
3. Acoustic analysis of voice in normal and high pitch phonation: a comparative study / V.U. Aithal [et al.]. // Folia Phoniatr Logop. - 2012. - Vol. 64, №1, - p. 48-53.
4. Outcomes of structural fat grafting for paralytic and non-paralytic dysphonia / G. Cantarella [et al]. // Acta Otorhinolaryngol Ital. - 2011. - Vol. 31, №3, - p. 154-160.
5. Заявка RU №94016311, кл. A61B 8/08, 1996 (прототип).
6. Патент RU №2094016, кл. A62B 6/03, 1997.
7. Патент RU №2354285, кл. A61B 5/00, A61B 5/08; 2009, бюл. №13.
8. Заявка RU №2003104843, кл. A61B 5/08, 2004.
9. Заявка DE №102008046285, кл. A61B 5/08, A61B 7/00; 2010.
Способ определения изменений голосовой функции человека при ХОБЛ, включающий измерения параметров изменения голосообразующей функции на основе акустического анализа с помощью компьютерной программы Specta PLUS, отличающийся тем, что проводят определение характеристик частоты основного тона, максимального времени фонации и участков голосового шума, последовательно в динамике и при увеличении на 10-й день лечения частоты основного тона до 142,6±15,2, максимального времени фонации до 20,5±2,9, участков голосового шума до "+" определяют улучшение голосовой функции человека.
