KR20220148832A

KR20220148832A - 음성 녹음 및 청진을 이용한 건강 상태 진단

Info

Publication number: KR20220148832A
Application number: KR1020227030903A
Authority: KR
Inventors: 일란 샬롬
Original assignee: 코디오 메디칼 리미티드
Priority date: 2020-03-03
Filing date: 2021-02-21
Publication date: 2022-11-07
Also published as: WO2021176293A1; CA3169598A1; US20210275037A1; JP2023517175A; CN115209794A; EP3875034A1; AU2021229663C1; US20220409063A1; AU2021229663A1; US11484211B2; IL281121A; AU2021229663B2

Abstract

의료 진단을 위한 방법은 환자(22)에 의해 발화된 소리에 의한 음성 신호를 녹음하는 단계, 음성 신호와 동시에 환자의 흉부에 접촉된 음향 변환기에 의해 출력되는 음향 신호를 녹음하는 단계를 포함한다. 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 녹음된 음향 신호와 녹음된 음성 신호 간의 전달 함수가 계산된다. 계산된 전달 함수는 환자의 질병을 평가하기 위해 평가된다.

Description

음성 녹음 및 청진을 이용한 건강 상태 진단

본 발명은 일반적으로 의학적 진단을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 폐부종(pulmonary edema)의 검출 및 평가에 관한 것이다.

폐부종은 폐의 실질(parenchyma) 및 공기 공간 내에 체액이 축적되는 심부전의 흔한 결과이다. 이것은 가스 교환 장애를 유발하고 호흡 부전을 유발할 수 있다.

심부전 환자는 장기간 동안 적절한 약물로 안정적인("보상된") 상태를 유지할 수 있다. 그러나, 예상치 못한 다양한 변화로 인해 환자의 상태가 불안정해질 수 있고, 그 결과 "대상부전(decompensation)"이 발생할 수 있다. 대상부전 과정의 초기에, 체액이 폐 모세혈관에서 폐포 주변의 간질 공간으로 누출된다. 간질 공간의 유체 압력이 증가함에 따라, 체액이 간질 공간으로부터 폐포로 누출되고, 호흡이 어려워지게 된다. 호흡곤란이 시작되기 전에, 초기 단계에서 대상부전을 발견하고 치료하는 것이 중요하다.

폐 내의 체액 축적을 검출하기 위한 다양한 방법이 당업계에 공지되어 있다. 예를 들어, PCT 국제 공개 WO 2017/060828(그 개시 내용이 본 명세서에 참조로 포함됨)은 프로세서가 과도한 체액 축적과 관련된 폐질환을 앓고 있는 피험자의 스피치(speech)를 수신하는 장치를 설명한다. 프로세서는 스피치를 분석함으로써 하나 이상의 스피치 관련 파라미터를 식별하고, 스피치 관련 파라미터에 응답하여 폐질환의 상태를 평가하고, 폐질환의 상태를 나타내는 출력을 생성한다.

다른 예로서, 물리건 등(Mulligan, et al.)은 IEEE 엔지니어링 의학 및 생물학 학회의 2009년 연례 국제 회의(IEEE, 2009)에서 발표된 "호흡기의 오디오 전달 기능을 이용한 지역적 폐 특성 감지"라는 제목의 아티클에서 폐 내의 체액 감지에 대한 오디오 응답의 사용을 설명했다. 저자들은 호흡기의 폐액 분포 변화를 측정하는 도구를 개발했다. 이 기기는 환자의 입에 0-4kHz 화이트 가우시안 노이즈(WGN: White Gaussian Noise) 신호를 입력하는 스피커, 및 흉부 표면 상에서 신호를 복구하는데 사용되는 완전히 조정 가능한 하니스(harness)를 통해 연결된 4개의 전자 청진기 어레이로 구성된다. 데이터를 처리하기 위한 소프트웨어 시스템은 적응 필터링의 원리를 활용하여 폐 내의 체액의 체적이 변화함에 따라 신호에 대한 입-출력 관계를 나타내는 전달 함수를 얻는다.

아래에 기술되는 본 발명의 실시예들은 폐질환의 검출을 위한 개선된 방법 및 장치를 제공한다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 환자가 발화한 소리로 인한 음성 신호를 녹음하는 단계, 및 음성 신호와 동시에 환자의 흉부에 접촉된 음향 변환기에 의해 출력되는 음향 신호를 녹음하는 단계를 포함하는 의료 진단 방법이 제공된다. 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 녹음된 음향 신호와 녹음된 음성 신호 간에 전달 함수가 계산된다. 계산된 전달 함수는 환자의 질병을 평가하기 위해 평가된다.

일부 실시예에서, 계산된 전달 함수를 평가하는 단계는 계산된 전달 함수와 기준선 전달 함수 사이의 편차를 평가하는 단계, 및 평가된 편차에 응답하여 환자의 질병의 변화를 검출하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 변화를 검출하는 단계는 환자의 흉부 내의 유체의 축적을 검출하는 단계를 포함한다. 이 방법은 흉부 내에 축적된 체액의 양을 줄이기 위해 변화를 감지한 것에 응답하여 환자에게 치료제를 투여하는 단계를 포함할 수 있다.

대안으로서 또는 추가적으로, 계산된 전달 함수를 평가하는 단계는 환자의 간질성 폐질환을 평가하는 단계를 포함한다.

개시된 실시예에서, 이 방법은 평가된 질병을 치료하기 위해 환자에게 치료제를 투여하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 음향 신호를 기록하는 단계는 전달 함수를 계산하기 전에 음향 변환기에 의해 출력된 음향 신호로부터 심장음을 제거하는 단계는 포함한다. 일 실시예에서, 심장음을 제거하는 단계는 음향 신호에서 심장음을 포함하는 이질적인 소리(extraneous sound)의 발생 구간을 검출하고, 전달 함수를 계산하는데 사용되는 음향 신호로부터 이 구간을 제거하는 단계를 포함한다.

추가적으로 또는 대안으로서, 심장음을 제거하는 단계는 전달 함수를 계산하기 전에 녹음된 음향 신호에서 심장음을 필터링하는 단계는 포함한다. 개시된 실시예에서, 음향 신호를 기록하는 단계는 흉부와 접촉하는 적어도 제1 및 제2 음향 변환기로부터 각각 적어도 제1 및 제2 음향 신호를 수신하는 단계를 포함하고, 심장음을 필터링하는 단계는 심장음을 필터링하면서 제1 및 제2 음향 신호를 결합함에 있어서 제1 음향 신호에 대해 제2 음향 신호에서 심장음의 도달 지연을 적용하는 단계를 포함한다.

추가로 또는 대안으로서, 전달 함수를 계산하는 단계는 한 세트의 주파수에서 녹음된 음성 신호 및 녹음된 음향 신호의 각각의 스펙트럼 성분을 계산하고, 각각의 스펙트럼 성분 사이의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 계수는 캡스트럼(cepstrum)의 표현이다.

일부 실시예에서, 전달 함수를 계산하는 단계는 무한 임펄스 응답 필터의 관점에서 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함한다.

대안으로서 또는 추가적으로, 전달 함수를 계산하는 단계는 시간 도메인에서 예측 변수(predictor)의 관점에서 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 계수 세트를 계산하는 단계는 녹음된 음성 신호들 및 녹음된 음향 신호들과 관련된 적응 필터 계수들을 계산함에 있어서 관계의 예측 오차를 적용하는 단계를 포함한다.

개시된 실시예에서, 전달 함수를 계산하는 단계는 발화된 소리를 복수의 상이한 유형의 음성 단위로 분할하고, 상이한 유형의 음성 단위에 대한 각각의 개별적인 전달 함수를 계산하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 전달 함수를 계산하는 단계는 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이의 시간적 관계를 나타내는 시변 계수 세트를 계산하는 단계를 포함한다. 개시된 실시예에서, 시변 계수 세트를 계산하는 단계는 발화된 음성 신호의 피치를 식별하는 단계, 및 식별된 피치에 대응하는 주기로 시변 계수를 주기적이 되도록 제한하는 단계를 포함한다.

추가적으로 또는 대안으로서, 전달 함수를 계산하는 단계는 녹음된 음성 신호들과 녹음된 음향 신호들 사이의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함하고, 편차를 평가하는 단계는 계산된 전달 함수의 계수들과 기준선 전달 함수 사이의 거리 함수를 계산하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 거리 함수를 계산하는 단계는 계수 쌍 사이의 각각의 차이를 계산하는 단계로서, 각각의 쌍은 계산된 전달 함수의 제1 계수 및 기준선 전달 함수의 대응하는 제2 계수를 포함하는 것인 상기 차이를 계산하는 단계, 및 모든 각각의 차이에 대한 놈(norm)을 계산하는 단계를 포함한다. 추가적으로 또는 대안으로서, 거리 함수를 계산하는 단계는 상이한 건강 상태에서 계산된 전달 함수 간의 차이를 관찰하고, 관찰된 차이에 응답하여 거리 함수를 선택하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른, 의료 진단 장치가 제공되며, 이 장치는 환자가 발화한 소리로 인한 녹음된 음성 신호 및 음성 신호와 동시에 환자의 흉부에 접촉하는 음향 변환기에 의해 출력된 녹음된 음향 신호를 저장하도록 구성된 메모리를 포함한다. 프로세서는 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 녹음된 음향 신호와 녹음된 음성 신호 간의 전달 함수를 계산하고, 환자의 질병을 평가하기 위해 계산된 전달 함수를 평가하도록 구성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 프로그램 명령을 저장한 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 컴퓨터 소프트웨어 제품이 제공되며, 이 명령은 컴퓨터에 의해 판독될 때 컴퓨터로 하여금, 환자가 발화한 소리로 인한 음성 신호 및 음성 신호와 동시에 환자의 흉부에 접촉된 음향 변환기에 의해 출력되는 음향 신호를 수신하고, 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 녹음된 음향 신호와 녹음된 음성 신호 간의 전달 함수를 계산하고, 그리고 환자의 질병을 평가하기 위해 계산된 전달 함수를 평가하게 만든다.

본 발명은 아래의 도면과 함께 본 발명의 실시예에 대한 아래의 상세한 설명으로부터 더 완전하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 폐질환의 검출을 위한 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 시스템의 요소들의 세부사항을 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 폐질환의 검출을 위한 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.

(개요)

심부전 환자의 대상부전의 초기 단계는 무증상일 수 있다. 증상이 나타나고 환자가 고통의 징후를 느낄 때까지, 환자의 질환은 빠르게 진행될 수 있다. 많은 경우, 환자가 치료를 받고 치료를 시작할 때까지, 폐 내의 체액 축적이 심해질 수 있고, 이는 입원 및 장기간의 의료 개입을 필요할 수 있다. 따라서, 흉부 내의 체액 축적의 초기 징후를 감지하기 위해 환자를 자주(심지어 매일) 모니터링하는 것이 바람직하다. 모니터링 기술은 환자 또는 환자 가족이 관리할 수 있을 만큼 충분히 간단해야 하지만, 체액 레벨의 작고 미묘한 변화를 감지할 수 있을 만큼 충분히 민감해야 한다.

본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예들은 환자의 흉부를 통해 흉부의 신체 표면에 접촉한 음향 변환기로 전달되는 소리와 환자에 의해 발화된 소리를 기록하고 비교함으로써 빈번하고 편리한 모니터링의 필요성을 해결한다. (이러한 변환기는 당업계에 알려진 전자 청진기에 사용되며, 신체 표면에서 소리를 듣고 기록하는 과정을 청진이라 지칭한다.) 체액 축적이 발화음 및 흉부음 이 둘 모두에 영향을 미친다는 것은 알려져 있으며, 이러한 유형의 소리 각각을 자체적으로 사용하는 기술이 폐부종을 감지하기 위해 개발되었다. 그러나, 본 실시예에서, 지정된 환자에서 이러한 두 유형의 소리 간의 관계가 유체 레벨의 변화에 대한 훨씬 더 민감한 지표를 제공하기 위해 모니터링된다. 구체적으로, 개시된 실시예에서, 환자 또는 간병인은 하나 이상의 음향 변환기를 사전 결정된 위치 또는 위치들의 환자의 흉부에 부착한다. 그 다음 환자는 마이크로폰에 말한다. 적절한 애플리케이션을 실행하는 휴대전화와 같은 녹음 장치는 마이크로폰로부터의 음성 신호를 (디지털화된 전기 신호의 형태로) 녹음함과 동시에, 음향 변환기 또는 변환기들에 의해 출력되는 디지털화된 음향 신호를 녹음한다. (녹음 장치 또는 원격 컴퓨터에 있는) 프로세서는 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 녹음된 음향 신호와 녹음된 음성 신호 사이의 전달 함수의 관점에서 음성 신호와 음향 신호 간의 대응 프로파일을 계산한다.

"전달 함수"라는 용어는 2개의 시변 신호 간의의 기능적 관계를 의미하기 위해 통신 분야에서 사용되는 것과 유사한 의미로 본 명세서 및 청구범위에서 사용된다. 전달 함수는 아래에 설명된 실시예에 예시된 바와 같이 선형 또는 비선형일 수 있다. 전달 함수를 계산할 목적으로, 신호 중 하나(녹음된 음성 신호 또는 녹음된 음향 신호 중 하나)는 입력 신호로서 처리되고, 다른 신호는 출력 신호로서 처리된다. (실제 통신 신호와 달리, 입력 및 출력 신호의 선택은 본 케이스에서는 임의적이다.) 전달 함수는 일반적으로 시간 도메인 또는 주파수 도메인에서 "입력" 및 "출력" 신호에 기초하여 계산될 수 있는 계수들의 세트로 표현된다. 이 목적을 위해 사용될 수 있는 시불변 및 시변 전달 함수를 모두 포함하는 다양한 유형의 전달 함수가 그들의 계산 방법과 함께 아래에 설명되어 있다.

프로세서는 환자의 질병의 변화를 감지하고 특히 흉부 내의 체액 축적을 감지하기 위해 전달 함수를 검사한다. 이러한 경우, 의료진은 예를 들어 이뇨제 또는 베타 차단제와 같은 적절한 약물의 투여를 시작하거나 증량하는 등의 환자에 대한 치료를 수행하도록 프롬프트될 수 있다.

전달 함수의 검사는 환자-독립적일 수도 있고 또는 환자-특정적일 수 있다. 환자-독립적 검사는 다양한 건강 상태의 많은 사람들의 전달 함수를 검사하여 수집한 지식을 사용하여 건강한 사람의 전달 함수를 특정 질병을 가진 사람의 전달 함수로부터 구별하는 특징들을 결정한다. 예를 들어, 전달 함수가 주파수 도메인에서 표현된다면, 구별되는 특징들은 2개의 상이한 주파수 대역에서 전달 함수의 평균 전력 사이의 비율을 포함할 수 있다.

환자-특정 검사에서, 프로세서는 계산된 전달 함수와 기준선 전달 함수 간의 편차를 평가한다. 이 기준선은 양호한 건강 기간 동안 해당 동일 환자에 대해 계산되었던 하나 이상의 전달 함수를 포함하거나 그로부터 파생될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 기준선은 더 많은 환자 집단에 걸쳐 수집된 샘플들에 기초할 수 있다. 편차가 크면 환자의 질병의 변화, 특히 흉부 내의 체액 축적을 나타낼 수 있다.

일부 실시예에서, 제2 "부종" 기준선 전달 함수는 계산된 기준선 함수와 비교될 수 있다. 이 제2 기준선 전달 함수는 폐부종 기간 동안 해당 동일 환자에 대해 계산되었던 전달 함수와 같을 수도 있고 또는 그로부터 파생될 수도 있다. 추가로 또는 대안으로서, 제2 기준선 전달 함수는 더 큰 환자 집단에 대해 그 환자들이 폐부종을 경험할 때 수집된 샘플에 기초할 수 있다. "부종" 기준선으로부터의 편차가 작으면 환자의 질병의 변화, 특히 흉부 내의 체액 축적을 나타낼 수 있다. 일부 경우에 예를 들어 환자가 급성 폐부종으로 인해 입원했을 때 환자 모니터링이 시작된 경우에, 사용 가능한 유일한 기준선은 "부종" 기준선 전달 함수일 수 있다. 이 경우, 부종 기준선으로부터의 편차가 너무 작아지면 경고가 발생된다. 다른 경우에, "안정" 기준선 전달 함수와 "부종" 기준선 전달 함수를 모두 사용할 수 있으며 부종 기준선으로부터 편차가 너무 작아지고 "안정" 기준선으로부터 편차가 너무 크면 경고가 발생된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 심부전으로 인한 체액 레벨의 변화를 검출하고 치료하는데 특히 유용하다. 추가로 또는 대안으로서, 이 기술은 높은 고도, 약물 부작용과 같은 폐부종을 유발할 수 있는 다른 상태를 진단하고 치료하는 데 적용될 수 있다. 예를 들어, 환자가 높은 고도로 여행하려고 하는 경우 또는 잠재적인 폐부종의 위험이 있는 약물로 치료를 받으려는 경우, 위험한 상태에 들어가기 전에(즉, 여전히 낮은 고도에 있는 동안 또는 약 복용 전에) 기준선이 획득될 수 있다. 그 다음, 환자는 그 상태에 적절한 체크 빈도로, 위에서 설명한 방법을 사용하여 모니터링될 수 있다.

폐부종 외에도, 폐포 벽을 두껍게하고 딱딱하게 만드는 간질성 폐질환과 같이, 폐의 음향 전도 특성을 변경할 수 있는 다른 질병들이 존재한다. 임의의 이러한 질병들은 전달 함수에 영향을 미치므로 본 방법을 사용하여 검출될 수 있다.

(시스템 설명)

이제 본 발명의 일 실시예에 따른, 폐질환의 검출을 위한 시스템(20)을 개략적으로 도시하는 도 1 및 2를 참조한다. 도 1은 도식적인 그림이고, 도 2는 시스템의 요소들의 세부사항을 보여주는 블록도이다.

도시된 실시예에서, 환자(22)는 스마트폰, 태블릿 또는 개인용 컴퓨터와 같은 사용자 장치(30)에 연결된 헤드셋(26)의 일부인 마이크로폰과 같은 음성 마이크로폰(24)으로 소리를 발화한다. 환자는 예를 들어 헤드셋(26)의 이어폰 또는 장치(30)의 화면을 통해 특정 소리를 발화하도록 프롬프트를 받을 수도 있고, 또는 자유롭게 말할 수 있다. 마이크로폰(24)는 대안으로서 장치(30)에 내장될 수도 있고, 또는 유선 또는 무선 연결에 의해 장치(30)에 연결된 독립형 장치일 수도 있다.

음향 변환기(28)는 환자가 말하기 시작하기 전에 환자의 흉부와 접촉하도록 배치된다. 변환기(28)는 환자 또는 간병인이 제자리에 유지하는 3M(미네소타주 메이플우드)에 의해 생산된 리트만(Littmann®) 전자 청진기와 같은 전자 청진기에 포함될 수 있다. 대안으로서, 변환기(28)는 접착제, 흡입 컵, 또는 적절한 벨트 또는 하네스(harness)를 사용하여 흉부에 부착될 수 있는 특수 목적 장치일 수도 있다. 이러한 종류의 단일 변환기가 피험자의 가슴에 배치된 것으로 도면에 도시되어 있으나, 대안의 실시예에서 변환기 또는 복수의 변환기가 피험자의 등과 같은 흉부 주변의 다른 위치에 배치될 수도 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 음향 변환기(28)는 예를 들어 심박 조율기(pacemaker) 또는 심장내 제세동기(intracardiac defibrillator)의 피하 제어 유닛의 일부로서 환자(22)의 신체에 영구적으로 고정될 수도 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 음향 변환기(28)는 직접적으로 또는 적절한 인터페이스를 통해 흉부의 피부에 접촉하는 압전 마이크로폰과 같은 마이크로폰(36)을 포함한다. 프론트 엔드 회로(38)는 마이크로폰(36)에 의해 출력된 음향 신호를 증폭, 필터링 및 디지털화한다. (도면에 도시되지 않은) 대안적인 실시예에서, 동일한 프론트 엔드 회로(38)는 또한 음성 마이크로폰(24)으로부터 음성 신호를 수신하고 디지털화한다. 블루투스(Bluetooth®) 무선 인터페이스와 같은 통신 인터페이스(40)는 디지털 샘플의 결과 스트림을 사용자 장치(30)로 전송한다. 대안으로서, 프론트 엔드 회로(38)는 유선 인터페이스를 통해 아날로그 형태의 음향 신호를 사용자 장치(30)에 전달할 수 있다.

사용자 장치(30)는 유선 또는 무선 링크를 통해 마이크로폰(24)에 의해 출력된 음성 신호 및 변환기(28)에 의해 출력된 음향 신호를 수신하는 통신 인터페이스(42)를 포함한다. 사용자 장치(30) 내의 프로세서(44)는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 메모리(46)에 데이터로서 신호를 기록한다. 전형적으로, 마이크로폰(24) 및 변환기(28)로부터의 신호의 기록은 서로 동기화된다. 이러한 동기화는 신호를 획득하고 디지털화하는데 사용되는 샘플링 회로를 동기화함으로써, 또는 위에서 언급한 바와 같이 마이크로폰(24 및 36) 모두에 대해 동일한 샘플링 회로를 사용함으로써 달성될 수 있다. 대안으로서, 프로세서(44)는 음성 신호 및 음향 신호 모두에서 발생하는 음향 이벤트에 기초하여 기록을, 환자의 스피치의 일부로서 또는 일정한 간격으로 사용자 장치(30) 내의 오디오 스피커에 의해 생성된 클릭과 같은 인공적으로 추가된 사운드로서 동기화할 수 있다. 사용자 장치(30)의 사용자 인터페이스(48)는 예를 들어 헤드셋(26)을 통해 또는 디스플레이 스크린 상에 환자 또는 간병인에 대한 지시를 출력한다.

본 실시예에서, 프로세서(44)는 추가 분석을 위해 인터넷과 같은 네트워크(34)를 통해 데이터로서 기록된 신호를 서버(32)로 전송한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 프로세서(44)는 적어도 분석의 일부를 사용자 장치(30) 내에서 국부적으로 수행할 수 있다. 서버(32)는 데이터를 수신하여 프로세서(52)에 전달하고 저장 및 후속 분석을 위해 데이터를 서버의 메모리(54)에 전달하는 네트워크 인터페이스 컨트롤러(NIC)(50)를 포함한다. 도 1은 단일 환자(22) 및 사용자 장치(30)만을 도시하지만, 실제로 서버(32)는 일반적으로 복수의 사용자 장치와 통신하고 복수의 환자에게 서비스를 제공할 것이다.

이하 상세히 설명되는 바와 같이, 프로세서(52)는 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 녹음된 음향 신호와 녹음된 음성 신호 사이의 전달 함수를 계산한다. 프로세서(52)는 계산된 전달 함수와 기준선 전달 함수 사이의 편차를 평가하고, 그 결과를 환자(22) 및/또는 간병인에게 보고한다. 이러한 편차에 기초하여, 프로세서(52)는 환자의 흉부 내의 체액 축적 증가와 같은 환자의 상태의 변화를 검출할 수 있다. 이 경우에, 서버(32)는 전형적으로 환자의 의사와 같은 의료진에게 경고를 발행할 것이며, 의료진은 유체 축적을 줄이기 위한 치료를 처방할 수 있다.

프로세서(44) 및 프로세서(52)는 일반적으로 적절한 소프트웨어의 제어 하에 본 명세서에 설명된 기능을 수행하는 범용 컴퓨터 프로세서를 포함한다. 이 소프트웨어는 예를 들어 네트워크(34)를 통해 전자 형태로 프로세서로 다운로드될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 소프트웨어는 광학, 자기 또는 전자 메모리 매체와 같은 유형(tangible)의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장될 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 프로세서(44, 52)의 기능 중 적어도 일부는 특수 목적 디지털 신호 프로세서 또는 하드웨어 논리 회로에 의해 수행될 수 있다.

(신호 분석 및 평가 방법)

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 폐질환의 검출을 위한 방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다. 이 방법은 명확성과 편의를 위해 선행 도면에 도시되고 위에서 설명된 시스템(20)의 요소들을 참조하여 여기서 설명된다. 대안으로서, 본 방법의 원리는 폐부종 및 다른 질병을 검출하기 위해 말 소리 및 흉부음을 동시에 기록하고 분석할 수 있는 기능을 가진 실질적으로 임의의 시스템에서 구현될 수 있다. 이러한 모든 대안의 구현들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주된다.

이 방법은 입력 신호의 획득으로 시작한다. 마이크로폰(24)는 스피치 캡처 단계(60)에서 환자(22)가 말한 소리를 캡처하고 음성 신호를 출력한다. 이와 동시에, 음향 변환기(28)는 환자의 흉부와 접촉 유지되어 흉부음을 포착하고 청진 단계(62)에서 대응하는 음향 신호를 출력한다. 프로세서(44)는 신호를 메모리(46)에 디지털 형태로 기록한다. 앞서 언급한 바와 같이, 음성 신호 및 음향 신호는 캡처 시 동기화된 샘플링에 의해 또는 후속적으로 예를 들어 프로세서(44)에 의해 기록된 신호의 음향 피처들 정렬함으로써 동기화된다.

본 실시예에서, 프로세서(44)는 추가 처리를 위해 미가공(raw) 디지털 신호를 서버(32)로 전송한다. 따라서, 도 4에서 이어지는 단계들은 서버(32)의 요소들을 참조하여 아래에 설명된다. 대안으로서, 이들 프로세싱 단계들의 일부 또는 전부는 프로세서(44)에 의해 국부적으로 수행될 수 있다.

프로세서(52)는 사용자 장치(30)로부터 수신된 데이터를 메모리(54)에 저장하고 데이터를 필터링하여 배경음 및 기타 잡음을 제거한다. 프로세서(52)는 스피치 필터링 단계(64)에서 당업계에 공지된 오디오 프로세싱 방법을 사용하여 배경 잡음으로 인한 간섭을 제거하기 위해 음성 신호를 필터링한다. 프로세서(52)는 음향 필터링 단계(66)에서 심장 박동 소리, 소화 시스템의 연동 운동 및 천명(wheezing)과 같은 환자의 스피치와 직접 연관되지 않은 흉부음을 제거하기 위해 변환기(28)로부터의 음향 신호를 필터링한다. 예를 들어, 단계(64 및 66)에서, 프로세서(52)는 음성 신호 및/또는 음향 신호에서 이질적인 소리를 검출할 수 있고 단순히 이질적인 소리가 발생한 시간 구간을 무시할 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 프로세서(52)는 배경 소리 및 잡음을 능동적으로 억제할 수 있다.

이질적인 소리의 검출은 여러 가지 방법으로 수행될 수 있다. 일부 경우에, 이질적인 소리의 고유한 음향 특성이 사용될 수 있다. 예를 들어, 심장 박동의 경우 일반적인 주기성이 사용될 수 있다. 심장 박동의 주기 및 음향적 특징은 환자가 말하지 않는 조용한 기간 동안 검출되고 그 후 스피치 동안 심장 박동을 검출하는데 사용될 수 있다.

아래에서 설명하는 바와 같이, 전달 함수는 마이크로폰 신호를 이용하여 흉음 신호의 예측 변수로서 표현될 수 있다. 예측 오차는 실제 흉부 신호과 예측값의 차이이다. 일부 실시예에서, 예측 오차가 계산되고, 그 전력 또는 특정 주파수 대역에서의 전력의 상당한 증가는 이질적인 신호의 존재를 나타낸다.

복수의 음향 변환기가 사용되는 경우, 신체 내의 소스에서 방출된 음파는 약간 상이한 지연 및 감쇠(상이한 주파수 대역에서 상이할 수 있음)로 각 변환기에 도달한다. 이러한 지연 및 감쇠의 차이는 음원의 위치에 따라 다르다. 따라서, 심 또는 소화기와 같은 소스로부터 도달하는 이질적인 소리는 그들의 상대적 지연이 스피치 음의 상대적 지연과 상이하기 때문에 검출될 수 있다. 이에 기초하여, 일부 실시예에서, 프로세서(52)는 환자의 신체에 부착된 복수의 변환기로부터 신호를 수신하고, 이질적인 소리를 필터링하면서 신호를 결합하기 위해 상대적 지연을 사용한다. 복수의 음향 변환기를 갖는 일부 실시예에서, 마이크로폰 어레이 분야에서 알려진 빔포밍 기술이 스피치 음과는 다른 방향에서 도달하는 이질적인 소리의 이득을 억제하는데 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 예를 들어, 프로세서(52)는 변환기(28)에 의해 출력된 음향 신호에서 심장음을 검출하여 심박수를 측정한다. 이에 기초하여, 프로세서는 스펙트럼 또는 시간 도메인에서 심장음의 스펙트럼과 일치하는 정합 필터를 계산하고, 단계(66)에서 음향 신호에 대한 심장음의 영향을 억제하는데 정합 필터를 적용한다.

다른 실시예에서, 예를 들어, 프로세서(52)는 적응 필터를 사용하여 이전 심장 박동의 음향 신호에서 심장 박동에 의해 야기된 음향 신호를 예측하고, 기록된 신호에서 예측된 심장 박동을 차감함으로써 심장 박동의 영향을 실질적으로 상쇄시킨다.

전달 함수 평가

신호를 필터링한 후, 프로세서(52)는 대응 계산 단계(68)에서 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이의 전달 함수를 계산한다. 위에서 설명한 바와 같이, 전달 함수는 신호 중 하나를 다른 신호의 함수로서 예측하는 전달 함수, h(t)로 편리하게 표현된다. 이어지는 설명에서는, 마이크로폰(24)에 의해 출력된 음성 신호 x_M(t)가 x_S = h*x_M 관계에 따라 변환기(28)에 의해 출력되는 음향 신호 x_S(t)를 예측하는 것으로 가정될 것이다. 계산의 목적으로, 음향 신호는 필요한 경우 짧은 기간, 예컨대, 수 밀리초만큼 임의로 지연될 수 있다. 대안으로서, x_M을 x_S의 함수로 예측하는 전달 함수를 계산하는데, 필요한 수정을 가하여, 아래에 설명된 절차를 적용할 수 있다.

일부 실시예에서, 프로세서(52)는 스펙트럼 도메인에서 전달 함수 H(ω)를 계산한다. 이 경우, 전달 함수는 음향 신호 X_M(ω)의 주파수에 대해, 한 세트의 주파수{ω}에서 음향 신호 X_S(ω)의 스펙트럼 성분을 나타내는 한 세트의 계수로서 계산될 수 있다. 신호들이 특정 샘플링 주파수로 샘플링되기 때문에, 신호의 주파수 성분 및 전달 함수는 단위 원 위의 점으로서 편리하게 표현될 수 있고(H(e^iω),X_M(e^iω),X_S(e^iω), 여기서 |ω|≤π), 이 때, ω는 정규화된 주파수이다(실제 주파수를 샘플링 주파수로 나눈 값의 2배와 동일). 그러면, 각각의 주파수 성분(ω)에 대한 전달 함수 계수는 다음과 같이 주어진다:

일반적으로, X_S 및 X_M의 주파수 성분은 이산 푸리에 변환(DFT)과 같은 적절한 변환 함수를 이용하여 N개의 이산 주파수에서 계산된다. 방정식 (1)의 몫은 e^2πin/N)(n = 0, …, N-1)으로 정의되는 단위 원 위의 N개의 균등 간격의 점들의 계수를 제공한다.

대안으로서, H는 예를 들어 캡스트럴의 관점에서 캡스트럴 계수의 형태로 더 간결하게 표현될 수 있다. 캡스트럴 계수 c_k(-∞<k<∞)는 log(H(e^iω))의 푸리에 계수이다.

신호 x_M 및 x_S가 실수 값이므로, 캡스트럴 계수의 시퀀스는 켤레 대칭이고, 즉,

이고, 그러므로 다음과 같다.

캡스트럴 계수는 당업계에 공지된 기술을 사용하여 계산될 수 있으며, 식 (2)는 작은 유한 수 p+1의 캡스트럴 계수를 사용하여 아래와 같이 근사화된다.

따라서, 계수 [c₀, … ,c_p ]는 전달 함수의 주파수 응답을 나타낸다. 대안으로서, 전달 함수는

의 캡스트럴 표현인, 제1 p+1 실수 캡스트럴 계수의 관점에서 표현될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 프로세서(52)는 무한 임펄스 응답 필터로서 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 한 세트의 계수의 관점에서 전달 함수를 계산한다.

대안으로서, 이러한 전달 함수는 시간 도메인에서 아래와 같이 표현될 수 있다.

여기서, x_M[n], x_S[n]은 각각 마이크로폰(24) 및 변환기(28)에 의해 출력된 신호의, 시간 n에서의, 시간 도메인 샘플이고,

은 시간 n에서의 변환기 신호의 예측 변수이다. 계수 a₁, …, a_p, b₀, …,b_q는 식 (4)에서 주파수 응답을 정의하며, 이들은 예를 들어 사용 가능한 데이터 포인트, x_M[n], x_S[n], n=0,…,N-1에 걸친 평균 제곱 예측 오차,

를 최소화함으로써 추정될 수 있다.

위 식은 마이크로폰(24)에 의해 녹음된 음성 신호와 변환기(28)로부터의 음향 신호 사이에 단일 시불변 전달 함수가 계산된다는 것을 암시적으로 가정한다. 그러나, 본 발명의 일부 실시예는 이러한 가정에 의존하지 않는다.

물리적인 관점에서, 스피치 소리 생성 프로세스는 여기(excitation), 변조 및 전파의 세 가지 주요 단계로 구성된다. 여기는 폐에서 나오는 공기 흐름이 수축되거나 간헐적으로 차단될 때 발생하며, 이는 여기 신호를 생성한다. 여기는 성대가 간헐적으로 공기 흐름을 차단하거나 혀와 입술과 같은 더 높은 관절 기관이 성대의 다른 지점에서 공기 흐름을 차단하거나 수축함으로써 발생할 수 있다. 여기 신호는 성대 내부 및 가능하다면 기관-기관지 공간에서도 반향을 일으킴으로써 변조된다. 마지막으로, 변조된 신호는 코와 입을 통해 전파되어 마이크로폰(24)에 의해 수신되고, 그리고 폐와 흉벽을 통해 전파되어 변환기(28)에 의해 수신된다. 마이크로폰와 변환기 사이의 전달 함수는 여기 위치에 따라 다르므로 음소(phonemes)마다 상이할 수 있다.

"음소"라는 용어는 일반적으로 음성의 구별되는 스피치의 성분들을 지칭한다. 용어를 명확히 하기 위해 "음성"은 피험자의 호흡기에서 생성되는 임의의 소리를 나타내며, 이는 피험자 앞에 배치된 마이크로폰에 의해 캡처될 수 있다. "스피치"는 구체적 음절, 단어 또는 문장을 나타내는 음성이다. 우리의 패러다임은 피험자가 말하게 하는 것, 즉 규정된 텍스트나 피험자에 의해 자유롭게 선택된 텍스트를의 스피치를 생성하는 것에 기반을 두고 있다. 그러나, 녹음되는 음성은 스피치 외에도 천명, 기침, 하품, 감탄사("음", "흠") 및 한숨과 같은 다양한 추가적, 종종 비자발적, 스피치가 아닌 소리를 포함할 수 있다. 이러한 소리는 일반적으로 변환기(28)에 의해 캡처되고 그 소리를 생성하는 여기 위치에 따라 특징 전달 함수를 생성한다. 본 발명의 실시예에서, 이러한 스피치가 아닌 소리가 발생하면 그것은 그들의 특성 전달 함수를 갖는 추가 음성 단위로 처리될 수 있다.

결과적으로, 일 실시예에서, 프로세서(52)는 말소리를 복수의 상이한 유형의 음성 단위로 분할하고, 상이한 유형의 음성 단위에 대한 각각의 개별적인 전달 함수를 계산한다. 예를 들어, 프로세서(52)는 음소-특정 전달 함수를 계산할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(52)는 음소 경계를 알고 있는 동일한 말 성분(verbal content)의 기준 스피치 신호를 사용하여 음소 경계를 식별할 수 있다. 이러한 기준 스피치 신호는 이전 시간에 환자(22)로부터 녹음된 스피치, 또는 다른 사람의 스피치 또는 합성된 스피치에 기초할 수 있다. 마이크로폰(24) 및 변환기(28)로부터의 신호는 (예를 들어, 동적 시간 왜곡(time warping)을 사용하여) 기준 신호와 비선형적으로 정렬되고, 그 다음 음소 경계는 기준 신호로부터 현재 신호로 다시 매핑된다. 음소 경계를 식별하고 정렬하는 방법은 2019년 3월 12일에 출원된 미국 특허 출원 제16/299,178호에 추가로 설명되어 있으며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

입력 신호를 음소로 분리한 후, 프로세서(52)는 각각의 음소 또는 유사한 유형의 음소 집합에 대해 개별적으로 전달 함수를 계산한다. 예를 들어, 프로세서(52)는 성대의 동일한 위치에서 여기에 의해 생성된 음소를 함께 그룹화할 수 있다. 이러한 그룹화는 프로세서(52)가 비교적 짧은 기록 시간에 걸쳐 전달 함수를 신뢰성 있게 추정할 수 있게 해준다. 그 다음, 프로세서는 모든 성문음(glottal consonant) 및 모든 치음(dental consonant)과 같은, 동일한 그룹 내의 모든 음소에 대해 하나의 전달 함수를 계산할 수 있다. 어떤 경우든, 마이크로폰(24) 및 변환기(28)로부터의 신호 사이의 대응성은 복수의 음소 특정 또는 음소 유형 특정 전달 함수에 의해 정의된다. 대안으로서, 프로세서(52)는 다이폰 또는 트라이폰과 같은 다른 종류의 음성 단위에 대한 전달 함수를 계산할 수 있다.

전술한 실시예에서, 프로세서(52)는 (시간 또는 주파수 도메인에서) 선형 시간 불변 계수 세트의 관점에서 마이크로폰(24) 및 변환기(28)로부터의 신호 간의 전달 함수를 계산한다. 이러한 종류의 계산은 효율적으로 수행될 수 있으며 결과적으로 전달 함수의 간결한 수치 표현이 생성된다.

그러나, 대안적인 실시예에서, 프로세서(52)가 계산하는 전달 함수의 계수 중 적어도 일부는 시변이며, 이는 마이크로폰(24)에 의해 녹음된 음성 신호와 변환기(28)에 의해 녹음된 음향 신호 간의 시간적 관계를 나타낸다. 이러한 종류의 시변 표현은 유성음(voiced sounds), 특히 모음을 분석하는데 유용하다. 이 소리에서, 성대가 활성화되어 초당 100회 초과의 속도의 주기적인 개폐 사이클을 거친다. 성대가 열린 때, 기관-기관지 나무와 성대가 하나의 인접한 공간이 되며 그 사이에서 소리가 울리게 된다. 반면 성대가 닫힌 때, 성문하강(기관-기관지 나무)과 성문상강(성대 위의 성도)이 단절되어 이 둘 사이에서 소리가 울릴 수 없다. 따라서 유성음에서 전달 함수는 시불변하지 않다.

유성음에서, 성문상간으로의 여기는 주기적이며, 성대가 닫혔다가 다시 열리는 한 사이클에 대응하는(소리의 "기본 주파수"에 대응하는) 주기를 갖는다. 따라서, 여기는 연속적인 펄스들 간의 성대의 진동 주기와 동일한 간격을 갖는 균일한 펄스 열로 모델링될 수 있다. (성대로 인한 임의의 스펙트럼 형성은 성대의 변조에 효과적으로 집중된다.) 성문하강의 여기 또한 성대에 의해 발생하므로, 그것은 균일한 펄스의 동일한 열로 모델링될 수 있다. 주파수 도메인에서, 음성 신호 및 음향 신호는 각각 성문 상부 및 성문 하부 전달 함수에 의한 여기 신호의 곱이므로, 이들의 스펙트럼들 또한 여기의 펄스와 동일한 주파수 및 각각의 전달 함수에 비례하는 진폭의 펄스로 구성된다.

따라서, 일 실시예에서, 프로세서(52)는 음성 신호 및 음향 신호의 스펙트럼 엔벨로프를 추정할 때 이 모델을 적용하고, 따라서 성대의 전달 함수, H_VT(e^iω) 및 기관-기관지 트리(폐벽 포함)의 전달 함수 H_TB(e^iω)를 추정한다. 전체 시스템의 전달 함수는 아래와 같이 주어진다.

프로세서(52)는 선형 예측 코딩(LPC)에 의해, 각각의 신호 X_M(e^iω), X_S(e)의 캡스트럼을 계산하는 것과 같은, 스피치 인식 분야의 방법을 사용하여 그리고 위의 식(3)을 사용하여 스펙트럼 엔벨로프를 유도하여 스펙트럼 엔벨로프 H_VT(e^iω) 및 H_TB(e^iω)를 계산할 수 있다. 효과적으로, 스펙트럼 엔벨로프만을 고려함으로써, 프로세서(52)는 시불변 근사치를 얻는다.

유성음의 시간적 변화는 피치의 함수인 주파수에서, 즉, 성대의 진동 주파수에서 발생한다. 따라서, 일부 실시예에서, 프로세서(52)는 말 소리의 피치를 식별하고, 시간 변화를 피치에 대응하는 주기로 주기적으로 제한하면서 마이크로폰(24)과 변환기(28)로부터의 신호 간의 전달 함수의 시변 계수를 계산한다. 이를 위해, 식 (5)는 아래와 같이 재구성될 수 있다.

시변 계수 b_l[n], 0≤l≤q 및 a_k[n], 0≤k≤p는 n에서 주기적인 것으로 가정되며, 주기 T는 피치 주파수에 의해 정해지고, 이는 T가 성대가 열리고 닫히는 주기와 같다는 것을 의미한다. 피치는 당업계에 알려진 음성 분석 기술을 사용하여 찾을 수 있다. 프로세서(52)는 예를 들어 전달 함수의 평균 제곱 예측 오차를 최소화함으로써, 즉

의 평균 제곱 값을 최소화함으로써 시변 계수 값 b_l[n] 및 a_k[n]을 계산한다.

위에서 설명한 방법은 특히 낮은 피치의 남성 음성에서 상대적으로 많은 수의 계수를 추정할 필요가 있다. 많은 계수를 신뢰할 수 있게 결정하려면 특정 음성 음소를 많이 반복해야 하며, 이는 일상적인 의료 모니터링에서 수행하기 어려울 수 있다. 이러한 어려움을 완화하기 위해, 계수들은 성대 사이클 동안 그들의 시변 행동을 나타내는 파라미터 함수로서 표현될 수 있다.

프로세서(52)는 위에서 설명한 바와 같이 평균 제곱 예측 오차를 최소화함으로써 파라미터 함수 B_l(v), 0≤l≤q 및 A_k(v), 0≤k≤p(0≤v<1)를 추정한다.

예를 들어, 0<D<1이 성대 사이클 동안 성대가 열려 있는 시간의 비율이라고 가정하면, 파라미터 함수는 다음과 같은 방식으로 표현될 수 있다.

여기서,

및

는 성대가 열려 있을 때의 전달 함수 파라미터이고,

및

는 성대가 닫힌 때의 전달 함수 파라미터이다. 이러한 방식에서, 프로세서(52)가 추정하는데 필요한 파라미터의 개수는 3(q+p)+1이다.

대안으로서, 프로세서(52)는 성대의 개방 상태와 폐쇄 상태 사이의 전환에서 전달 함수를 보다 정확하게 나타낼 수 있는 이러한 파라미터 함수의 보다 정교한 형태를 사용할 수 있다. 예를 들어, B_l(v), 0≤l≤q 및 A_k(v), 0≤k≤p는 고정 차수의 다항식 또는 유리 함수(다항식의 비)일 수 있다.

다른 실시예에서, 프로세서(52)는 전달 함수를 유도할 때 적응 필터링 접근법을 적용한다. 마이크로폰 신호 x_M[n]은 변환 신호 x_S[n]의 예측 변수

을 생성하는, 시변 필터에 공급된다. 예측 오차

는 각 프레임에서 계산되며, 필터를 수정하고 시변 필터 계수를 계산하는데 사용된다. 필터는 식 (7)의 형태일 수 있다(그러나 계수가 n에서 주기적이라는 제약은 없음). 이러한 적응 필터는 무한 임펄스 응답(IIR) 적응 필터라 지칭된다. p=0이면, 예측 변수는 유한 임펄스 응답(FIR) 적응 필터의 형태를 갖는다.

적응 필터의 계수는 당업계에 공지된 방법을 사용하여 예측 오차에 기초하여 조정될 수 있다.

이러한 적응 필터링 접근 방식을 사용하여, 프로세서(52)는 환자의 스피치의 각 샘플에서 해당 샘플에 대한 적응 필터 계수 세트를 도출한다. 프로세서(52)는 전달 함수를 특성화하기 위해 필터 계수 자체의 이러한 시퀀스를 사용할 수 있다. 대안으로서, 저장되어야 하는 데이터의 양을 줄이는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(52)는 필터 계수들의 모든 T번째 세트만을 유지할 수 있으며, 여기서 T는 사전 결정된 수이다(예를 들어, T = 100). 다른 대안으로서, 프로세서(52)는 음소당 특정 수의 필터 계수 세트를 유지할 수 있다(예를 들어, 3개, 음소의 시작 부분에 하나, 중간에 하나 및 끝에 하나).

거리 계산

이제 도 3으로 돌아가서, 마이크로폰(24) 및 변환기(28)로부터의 신호들 간의 전달 함수를 (임의의 상기 기술 또는 당업계에 알려진 다른 기술을 사용하여) 계산한 후, 프로세서(52)는 거리 계산 단계(70)에서 계산된 전달 함수와 베이스라인 전달 함수 사이의 편차를 평가한다. 이 맥락에서, "거리"는 현재 및 기준 전달 함수의 계수에 대해 계산되고 그들 간의 차이를 정량화하는 숫자 값이다. 임의의 적절한 유형의 거리 측정이 단계(70)에서 사용될 수 있으며; 그리고 거리는 유클리드적이거나 또는 심지어 그것의 논증의 역전하에서 대칭적일 필요도 없다. 프로세서(52)는 거리 평가 단계(72)에서 거리를 사전 결정된 임계값과 비교한다.

앞서 언급한 바와 같이, 단계(70)에서 기준으로 사용되는 기준선 전달 함수는 환자(22)에 대해 이루어진 이전 측정 또는 더 큰 모집단으로부터 도출된 측정으로부터 도출될 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(52)는 2개 이상의 기준 함수를 포함하는 기준선으로부터의 거리를 계산한다. 예를 들어, 프로세서(52)는 기준 전달 함수의 세트로부터 거리의 벡터를 계산할 수 있고, 그 다음 단계(72)에서 평가를 위한 거리의 최소값 또는 평균을 선택할 수 있다. 대안으로서, 프로세서(52)는 예를 들어 계수를 평균화함으로써 기준 전달 함수를 결합할 수 있고, 그 다음 현재 전달 함수로부터 평균 함수까지의 거리를 계산할 수 있다.

일 실시예에서, 이들 2가지 접근법이 결합된다. 기준 전달 함수는 예를 들어 k-평균 클러스터링을 사용하여, 유사도(동일한 클러스터 내의 전달 함수 사이의 거리가 작다는 의미)에 기초하여 클러스터링된다. 그 다음, 프로세서(52)는 각 클러스터에 대한 대표적인 전달 함수를 합성한다. 프로세서(52)는 현재 전달 함수와 다른 클러스터의 대표 전달 함수 사이의 거리를 계산하고 그 다음 이러한 클러스터 거리에 기초하여 최종 거리를 계산한다.

테스트된 전달 함수와 기준 전달 함수 사이의 거리의 정의는 전달 함수의 형태에 따라 달라진다. 예를 들어, f_T=H_T(e^iω) 및 f_R=H_R(e^iω)이 각각 각각 현재 및 기준 전달 함수라고 가정하면(위 식(1)에서 정의된 바와 같이 |ω|≤π), 이러한 전달 함수들 간의 거리 d는 아래와 같이 표현될 수 있다.

여기서, G(t,r,ω)는 주파수 ω에서 테스트된 주파수 응답 값, t 및 기준 주파수 응답 값, r 사이의 거리를 정의하고, F는 단조 증가 함수이다. 일부 실시예에서, 프로세서(52)는 단계(70)에서 거리를 계산하기 위해 주파수 도메인 전달 함수 H_T(e^iω) 및 H_R(e^iω)를 명시적으로 계산할 필요가 없다. 오히려, 이러한 전달 함수는 위에서 설명한 바와 같이 시간 영역 임펄스 응답 또는 캡스트럴 계수의 관점에서 표현될 수 있기 때문에, 식(12)은 전달 함수에 해당하는 자기상관, 캡스트럴 계수 또는 임펄스 응답과 같은 값 시퀀스에 대한 연산의 관점에서 정확하거나 대략적으로 표현되고 평가될 수 있다.

일부 실시예에서, 프로세서(52)는 현재 및 기준선 전달 함수의 계수 쌍 사이의 각각의 차이를 계산함으로써 거리를 평가하고, 그 다음 모든 각각의 차이에 대한 놈(norm)을 계산한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 거리 G(t,r,ω)=W(e^iω)|log(t)-log(r)|^p이고, 여기서 p>0은 상수이고 W(e^iω)는 다른 주파수에 다른 가중치를 줄 수 있는 가중치 함수이고, F(u)=u^1/p이다. 이 경우, 식(11)은 가중된 L^p 놈의 형태를 갖는다.

극한에서, p→∞일 때, 식(12)는 가중된 L^∞ 놈이 되고, 이는 단순히 차이의 상한(supremum)이다.

다른 예로서, W(e^iω)=1 및 p=2로 설정하면, 거리는 현재 및 기준선 로그 스펙트럼 간의 차이의 제곱 평균(RMS: Root-mean-square)으로 감소된다.

대안으로서, 식(13)의 로그는 다른 단조 비-감소 함수로 대체될 수 있고, p 및 W(e^iω)의 다른 값이 사용될 수도 있다.

다른 실시예는 아래와 같이 설정하여 얻은, 이타쿠라-사이토 왜곡(Itakura-Saito distortion)과 같은 통계적 최대 우도 접근법(statistical maximal likelihood approach)을 사용한다.

다른 대안으로서 또는 추가적으로, 거리 함수 G(t,r,ω)는 특정 환자 또는 상이한 건강 상태를 갖는 많은 환자의 실제 전달 함수를 관찰한 것에 기초하여, 경험적 데이터에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 연구를 통해 특정 질병과 관련된 건강 악화가 log|H_T(e^iω )| 특정 주파수 범위 Ω에서 ω에 대해 log|H_T(e^iω)|의 증가로 나타난다고 연구가 보여준다면, 기준선 전달 함수는 환자의 건강하고 안정적인 상태에 해당하며, 거리는 이에 따라 아래와 같이 정의될 수 있다.

다른 예로서, 식 (7) 및 (8)에서와 같이 시변 전달 함수 계수가 사용되고 v=n/T, 0≤n<T일 때, 0≤v<1의 각 값에 대해, 식(7)은 시변 전달 함수를 정의한다.

현재 및 기준 시변 전달 함수 사이의 거리는 v의 매칭 값에 대한 H_T(e^iω,v)와 H_R(e^iω,v) 사이의 거리의 평균으로서 정의될 수 있다.

마지막으로, 각각의 전달 함수가 복수의 음소-특정 전달 함수를 포함하는 실시예에서, 프로세서(52)는 위에서 설명된 기술 중 하나를 사용하여 현재 및 기준선 전달 함수의 대응하는 음소 특정 성분의 각 쌍 사이의 거리를 개별적으로 계산한다. 결과는 음소-특정 거리의 세트이다. 프로세서(52)는 최종 거리 값을 찾기 위해 이러한 음소-특정 거리에 스코어링 프로시저를 적용한다. 예를 들어, 스코어링 프로시저는 음소 특정 거리의 가중 평균을 계산할 수 있는데, (경험적 데이터에 기초하여) 건강 변화에 더 민감한 음소가 더 높은 가중치를 갖는다.

다른 실시예에서, 스코어링 프로시저는 평균 대신에 순위 통계를 사용한다. 음소-특정 거리는 건강 변화에 대한 민감도에 따라 가중치가 부여된 후 오름차순으로 정렬된다. 프로세서(52)는 이 시퀀스에서 특정 위치에 나타나는 값(예를 들어, 중앙값)을 거리 값으로서 선택한다.

위의 거리 측정치 중 어느 것이 사용되든, 프로세서(52)가 단계(72)에서 현재 전달 함수와 기준선 전달 함수 간의 거리가 예상되는 최대 편차보다 작다는 것을 발견하면, 프로세서(52)는 측정 결과를 기록하지만 일반적으로 종료 단계(74)에서 임의의 추가 작업을 시작하지 않는다. (서버(32)는 환자 또는 간병인에게 환자의 상태에 변화가 없거나 아마도 심지어 환자의 상태가 개선되었음을 알릴 수 있다.) 그러나, 거리가 예상되는 최대 편차를 초과하면, 서버(32)는 액션 개시 단계(76)에서 액션을 개시할 것이다. 액션은 예를 들어 환자의 의사와 같은 환자의 간병인에게 메시지의 형태로 경보를 발행하는 것을 포함할 수 있다. 경보는 일반적으로 환자의 흉부 내의 체액 축적이 증가했음을 나타내고, 체액 축적을 줄이기 위해 약물을 투여하거나 용량을 변경하는 등의 조치를 간병인에게 지시한다.

대안으로서, 서버(32)는 경보를 능동적으로 푸시하지 않고, 폐부종의 레벨과 같은 피험자의 질병의 지표를 (예를 들어, 디스플레이 상에서, 또는 질의에 대한 응답으로) 단지 제시할 수 있다. 전달 함수들 간의 거리와 폐부종 간의 상관 관계가 이 피험자 또는 다른 피험자의 이전 관찰로부터 학습되었다고 가정하면, 이러한 지표는 예를 들어 추정된 폐부종의 레벨을 나타내는 전달 함수들 간의 거리에 기초하는 숫자를 포함할 수 있다. 의사는 진단 및 치료 결정 시 다른 의료 정보와 함께 이 지표를 참조할 수 있다.

일부 실시양태에서, 약물 투여 및 투여량 변경은 루프에서 인간 간병인을 필요로 하지 않고 약물 전달 장치를 제어함으로써 자동으로 수행된다. 이러한 경우에, 단계(76)는 경보의 발행과 함께 또는 경보의 발행 없이 복약 레벨을 변경하는 것을 포함할 수 있다(또는 경보는 복약 레벨이 변경되었음을 나타낼 수 있다).

일부 경우, 예를 들어 병원이나 기타 진료소 환경에서 단계(72)의 거리 평가는 피험자의 상태가 악화되지 않고 개선되었음을 나타낼 수 있다. 이 경우, 단계(76)에서 시작된 액션은 피험자가 중환자실에서 퇴원하거나 병원에서 퇴원할 수 있음을 나타낼 수 있다.

위에서 설명된 실시예는 예로서 인용된 것이고, 본 발명이 본 명세서에 특별히 도시되고 설명된 것으로 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 오히려, 본 발명의 범위는 전술한 다양한 특징의 조합 및 하위 조합, 뿐만 아니라 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 발생하고 선행 기술에 개시되지 않은 변형 및 수정을 모두 포함한다.

Claims

의학적 진단 방법으로서,
환자가 발화한 소리로 인한 음성 신호를 녹음하는 단계;
상기 환자의 흉부와 접촉하는 음향 변환기에 의해, 상기 음성 신호와 동시에 출력되는 음향 신호를 녹음하는 단계;
녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 상기 녹음된 음향 신호와 상기 녹음된 음성 신호 사이의 전달 함수를 계산하는 단계; 및
상기 환자의 질병(medical condition)을 평가하기 위해 계산된 전달 함수를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 계산된 전달 함수를 평가하는 단계는:
상기 계산된 전달 함수와 기준선 전달 함수 간의 편차를 평가하는 단계; 및
평가된 편차에 반응하여 상기 환자의 상기 질병의 변화를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 변화를 검출하는 단계는 상기 환자의 흉부 내의 체액 축적을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 3 항에 있어서, 상기 흉부에 축적된 체액의 양을 감소시키기 위해, 변화의 검출에 응답하여 상기 환자에게 치료제를 투여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 계산된 전달 함수를 평가하는 단계는 상기 환자의 간질성 폐질환을 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항에 있어서, 평가된 질병을 치료하기 위해 상기 환자에게 치료제를 투여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 음향 신호를 녹음하는 단계는 상기 전달 함수를 계산하기 전에 상기 음향 변환기에 의해 출력된 상기 음향 신호로부터 심장음을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 심장음을 제거하는 단계는 상기 음향 신호에서 상기 심장음을 포함한 이질적인 소리의 발생 구간을 검출하는 단계 및 상기 전달 함수를 계산하는데 사용되는 상기 음향 신호로부터 상기 구간을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 심장음을 제거하는 단계는 상기 전달 함수를 계산하기 전에 상기 녹음된 음향 신호로부터 상기 심장음을 필터링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 9 항에 있어서, 상기 음향 신호를 녹음하는 단계는 상기 흉부와 접촉하는 적어도 제1 및 제2 음향 변환기로부터 각각 적어도 제1 및 제2 음향 신호를 수신하는 단계를 포함하고, 그리고 상기 심장음을 필터링하는 단계는 상기 심장음을 필터링하면서 상기 제1 및 제2 음향 신호를 결합함에 있어서 상기 제1 음향 신호에 대한 상기 제2 음향 신호 내의 상기 심장음의 도달 지연을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 함수를 계산하는 단계는 한 세트의 주파수의 상기 녹음된 음성 신호 및 상기 녹음된 음향 신호의 각각의 스펙트럼 성분을 계산하는 단계, 및 상기 각각의 스펙트럼 성분 간의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 계수는 캡스트럼(cepstrum)의 표현인 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 함수를 계산하는 단계는 무한 임펄스 응답 필터의 관점에서 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 간의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 함수를 계산하는 단계는 시간 도메인에서의 예측 변수(predictor)의 관점에서 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 간의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 계수 세트를 계산하는 단계는 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호와 관련된 적응 필터 계수를 계산함에 있어서 상기 관계의 예측 오차를 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 함수를 계산하는 단계는 발화된 소리를 복수의 상이한 유형의 음성 단위로 분할하는 단계, 및 상기 상이한 유형의 음성 단위에 대해 각각의 개별 전달 함수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 함수를 계산하는 단계는 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이의 시간적 관계를 나타내는 시변 계수 세트를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 17 항에 있어서, 상기 시변 계수 세트를 계산하는 단계는 발화된 음성 신호의 피치를 식별하는 단계, 및 식별된 피치에 대응하는 주기로 상기 시변 계수를 주기적이 되도록 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전달 함수를 계산하는 단계는 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 계수 세트를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 편차를 평가하는 단계는 상기 기준선 전달 함수와 계산된 전달 함수의 계수 간의 거리 함수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 거리 함수를 계산하는 단계는 계수 쌍 사이의 각각의 차이를 계산하는 단계로서, 각 쌍은 계산된 전달 함수의 제1 계수와 상기 기준선 전달 함수의 제2의 대응하는 계수를 포함하는 것인, 상기 차이를 계산하는 단계, 및 각각의 차이 모두에 대한 놈(norm)을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
제 19 항에 있어서, 상기 거리 함수를 계산하는 단계는 상이한 건강 상태에서 계산된 전달 함수 간의 차이를 관찰하는 단계 및 관찰된 차이에 응답하여 상기 거리 함수를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 방법.
의학적 진단 장치로서,
환자가 발화한 소리로 인한 녹음된 음성 신호 및 상기 환자의 흉부에 접촉된 음향 변환기에 의해, 상기 음성 신호와 동시에 출력되는 녹음된 음향 신호를 저장하도록 구성된 메모리; 및
상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이 또는 상기 녹음된 음향 신호와 상기 녹음된 음성 신호 간의 전달 함수를 계산하도록, 그리고 상기 환자의 질병을 평가하기 위해 계산된 전달 함수를 평가하도록 구성된 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 계산된 전달 함수와 기준선 전달 함수 사이의 편차를 평가하고, 평가된 편차에 응답하여 상기 환자의 상기 질병의 변화를 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 23 항에 있어서, 상기 프로세서에 의해 검출된 변화는 상기 환자의 흉부 내의 체액 축적을 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 24 항에 있어서, 상기 흉부 내에 축적된 체액의 양을 줄이기 위해, 변화의 검출에 반응하여, 상기 환자에게 치료제가 투여되는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 계산된 전달 함수에 응답하여 상기 환자의 간질성 폐질환을 평가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항에 있어서, 평가된 질병을 치료하기 위해 환자에게 치료제가 투여되는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 전달 함수를 계산하기 전에 상기 음향 변환기에 의해 출력된 상기 음향 신호로부터 심장음을 제거하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 28 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 음향 변환기에 의해 출력되는 상기 음향 신호에서 상기 심장음을 포함한 이질적인 소리의 발생 구간을 검출하고 상기 전달 함수를 계산하는데 사용되는 상기 음향 신호로부터 상기 구간을 제거하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 28 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 전달 함수를 계산하기 전에 상기 녹음된 음향 신호에서 상기 심장음을 필터링하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 30 항에 있어서, 상기 메모리는 흉부와 접촉하는 적어도 제1 및 제2 음향 변환기로부터 각각 적어도 제1 및 제2 음향 신호를 수신 및 저장하도록 구성되고, 상기 프로세서는 상기 심장음을 필터링하면서 상기 제1 및 제2 음향 신호를 결합함에 있어서 상기 제1 음향 신호에 비해 상기 제2 음향 신호에서 상기 심장음의 도달에 지연을 적용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 한 세트의 주파수의 상기 녹음된 음성 신호 및 상기 녹음된 음향 신호의 각각의 스펙트럼 성분을 계산하고, 그리고 상기 각각의 스펙트럼 성분 사이의 관계를 나타내는 전달 함수의 계수 세트를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 32 항에 있어서, 상기 계수는 캡스트럼(cepstrum)의 표현인 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 무한 임펄스 응답 필터의 관점에서 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 전달 함수의 계수 세트를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 시간 도메인에서 예측 변수(predictor)의 관점에서 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 상기 전달 함수의 계수 세트를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 35 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 녹음된 음성 신호 및 상기 녹음된 음향 신호와 관련된 적응 필터 계수를 계산함에 있어서 상기 관계의 예측 오차를 적용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 발화된 소리를 복수의 상이한 유형의 음성 단위로 분할하고, 그리고 상기 상이한 유형의 음성 단위에 대한 각각의 개별적인 전달 함수를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이의 시간적 관계를 나타내는, 상기 전달 함수의 시변 계수 세트를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 38 항에 있어서, 상기 프로세서는 발화된 음성 신호의 피치를 식별하고, 그리고 식별된 피치에 대응하는 주기로 상기 시변 계수를 주기적이 되도록 제한하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 녹음된 음성 신호와 상기 녹음된 음향 신호 사이의 관계를 나타내는 상기 전달 함수의 계수 세트를 계산하고, 그리고 계산된 전달 함수의 계수들과 기준선 전달 함수 사이의 거리 함수를 계산함으로써 편차를 평가하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 프로세서는 계수 쌍 사이의 각각의 차이를 계산함으로써 그리고 모든 각각의 차에 대한 놈을 계산함으로써 상기 거리 함수를 계산하도록 구성되며, 각각의 쌍은 계산된 전달 함수의 제1 계수와 상기 기준선 전달 함수의 대응하는 제2 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
제 40 항에 있어서, 상기 프로세서는 상이한 건강 상태에서 계산된 전달 함수들 사이에서 관찰되는 차이에 응답하여 상기 거리 함수를 계산하도록 구성된 것을 특징으로 하는 의학적 진단 장치.
컴퓨터 소프트웨어 제품으로서,
프로그램 명령을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하고, 상기 명령은, 컴퓨터에 의해 판독될 때, 상기 컴퓨터로 하여금, 환자의 발화된 소리로 인한 음성 신호 및 상기 환자의 흉부에 접촉된 음향 변환기에 의해 상기 음성 신호와 동시에 출력되는 음향 신호를 수신하고, 녹음된 음성 신호와 녹음된 음향 신호 사이 또는 상기 녹음된 음향 신호와 상기 녹음된 음성 신호 간의 전달 함수를 계산하고, 그리고 상기 환자의 질병을 평가하기 위해 계산된 전달 함수를 평가하게 만드는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 소프트웨어 제품.