Способ диагностики и реабилитации пациентов с нарушениями голосо-речевой функции
DIAGNOSTIC AND REHABILITATION METHOD OF THE PATIENTS WITH VOICE-SPEECH FUNCTION DISORDERS

Изобретение относится к области медицины, а именно к оториноларингологии, фониатрии, и может быть применено для диагностики и реабилитации пациентов с патологиями голосообразования.
Голосовые нарушения широко распространены среди населения. С одной стороны – это люди, сорвавшие голос случайно, например, неправильно покричав. С другой стороны – пациенты после оперативных вмешательств на гортани, аорте, трахее, щитовидной железе. С третьей стороны – профессионалы голоса, где фониатрическая патология встречается у 50% женщин и у 26% мужчин из числа преподавателей (E.Nerriere. Voice disorders and mental health in teachers: cross-sectional nationwide study//BMC Public Health. 2009 Oct.2. Vol.9. P.370). В исследовании среди 1878 учителей Нидерландов показано, что более половины обследованных имели проблемы с голосом на протяжении своей трудовой деятельности (F.I. de Jong. Epidemiologyof voice problems in Dutch teachers//Folia.Phoniatr.Logop. 2006. Vol.58, No 3. P.186-198). В работе, проведенной на выборке из 554 преподавателей высшей школы, выявлено, что преподаватели существенно чаще, чем работники других сфер, имеют слабый или требующий усилий голос, а также чаще испытывают физический дискомфорт при разговоре: 36% против 1% (E.Smith. Frequency and effects of teacher’s voice problems//J.Voice. 1997. Vol.11, No 1. P.81-87). В данной профессиональной группе в большей степени распространены такие заболевания, как афонии, полипы и узелки голосовых складок.
По данным И.А.Михалевской (Михалевская И.А. Профилактика нарушений голоса у лиц речевых и вокальных профессий – дис. канд. пед. наук. – М., 2005) и К.К.Яхина (Яхин К.К., Галиуллина Л.К. Пограничные психические расстройства у больных с дисфониями (психо-соматические соотношения// Психические расстройства в общей медицине. 2007. Т.2, №2. С.17-20) заболеваемость голосового аппарата составляет для педагогов – 40%, переводчиков – 31%, воспитателей детских садов и яслей – 36%, экскурсоводов – 77%. Отечественные и зарубежные авторы отмечают увеличение заболеваемости голосового аппарата у педагогов с 30-40% в 30-60-е годы XX века до 55-60% случаев – в последние десятилетия. Наиболее подвержены расстройствам голоса лица голосо-речевых профессий, которые не владеют навыками правильной голосоподачи. Неправильная техника голосоведения и, как следствие этого, перенапряжение голосового аппарата являются распространенными причинами возникновения нарушений, которые могут повлечь за собой профессиональную нетрудоспособность.
При этом потеря голоса может грозить человеку не только частичной или полной нетрудоспособностью, но и коммуникативной и психологической изоляцией, трудностями социальной адаптации и депрессией (Вельтищев Д.Ю., Романенко С.Г., Стукало А.В. Психопатологические проблемы расстройства голоса//Доктор.Ру. № 4(63). 2011, с.63-69).
В последнее время отмечается острая необходимость в детской фониатрической помощи ввиду большой распространенности заболеваний голоса у детей.
Сложный характер заболеваний голоса и реабилитации требует комплексной диагностики и длительного лечения. Коррекция нарушений голоса – проблема междисциплинарная, требующая участия не только врача-оториноларинголога, но и фониатра, фонопеда, логопеда, психолога и педагога, а также комплексного лечения. Из основных направлений лечения стоит отметить медикаментозное лечение, фонопедическую коррекцию, физиотерапевтическое лечение, психологические тренинги.
Так, например, способ регуляции функциональных нарушений голоса у больных с психоэмоциональными расстройствами (RU 2273500 C2, 10.04.2006) базируется на физиотерапии: на больного воздействуют импульсным низкочастотным электромагнитным полем с частотой следования импульсов 20-52 Гц. При гипертонусной дисфонии или при субатрофии слизистой задней стенки глотки воздействуют дистанционно через зеркальный излучатель, расположенный на расстоянии 20-25 см от глаз больного и контактно через выносные пластины на область шейного отдела позвоночника. При гипотонусной дисфонии или при гипертрофическом фарингите воздействуют контактно через выносные пластины, паравертебрально на боковые поверхности шеи в области гортани. Напряженность поля в зоне терапии при дистанционном воздействии 1-2 мВ/см, при контактном воздействии 2-5 В/см. Длительность воздействия 3-10 минут ежедневно, курс лечения 10-12 процедур. Способ нормализует нервно-мышечный тонус голосового аппарата, способствует регрессу неврологической симптоматики, улучшает качество жизни пациента.
21
23
24
3
20
2
3
6
8
1
3
4
14
15
20
26
1
3
4
17
17
4
5
6
11
12
36
44
12
35
44
19
5
6
6
7
В основе способа коррекции нарушений голоса у детей и подростков (RU 2336860 C2, 27.10.2008) лежит взаимодействие физиотерапевтического лечения и массажа: проводят пальцевой точечный массаж успокаивающим или тонизирующим способом 4-5 биологически активных точек из ряда: VC, VC, VC, PC, PC, TR, TR, TR, TR, R, R, С, VG, VG, VG, VG, GI, CI, GI, GI, GI, E, E, Е, Е, E, Е, Е, VB, VB, VB, IG, MC, МС, RP, Р. Затем осуществляют воздействие светом при помощи фототерапевтического прибора АФС/К в течение 5-15 секунд на каждую из 4 аурикулярных точек из ряда: 2, 4, 5, 6, 10, 11, 13, 15, 22а, 29, 31, 41, 51, 55, 73, 74, 75, 84, 95, 97, 101, 104. Сеансы проводятся ежедневно, на курс 10 сеансов. Второй курс проводят через 10 дней. Способ повышает эффективность лечения за счет улучшения адаптации к нагрузкам голосового аппарата, увеличения времени максимальной фонации, нормализации тонуса голосовых связок и улучшения психологического состояния.
Описаны способы лечения больных со стойкими функциональными нарушениями голоса, основанные на сочетании физиотерапии и фонопедической гимнастики. В (RU 2413547 C2, 10.03.2011) раскрыт такой способ, который осуществляют путем проведения нейромышечной электрофонопедической стимуляции, воздействуя на моторные нервы гортани аппаратом «vocaSTIM» с одновременным выполнением голосовых упражнений, отличающийся тем, что при гипотонусной дисфонии нейромышечную электрофонопедическую стимуляцию осуществляют воздействием на верхний гортанный нерв, а голосовые упражнения выполняют последовательно: раз; раз два; раз два три и т.д. до 10, повторить 5 раз, Р, Р, Р …, повторить 10 раз, Ж, Ж, Ж …, повторить 10 раз, Ш, Ш, Ш …, повторить 5 раз, С, С, С …, повторить 5 раз, Ф, Ф, Ф …, повторить 5 раз, X, X, Х …, повторить 5 раз, Ч, Ч, Ч …, повторить 5 раз, М, М, М …, повторить 10 раз, резко произносить: К, КА, КО, КИ, КЭ, КУ, повторить 10 раз, резко произносить: КРУ, КРИ, КРА, КРЭ, КРО, повторить 10 раз, РУ, БРУ, ВРУ, ДРУ, ТРУ, МРУ, КРУ, повторить 5 раз, РИ, БРИ, ВРИ, ТРИ, МРИ, ДРИ, КРИ, повторить 5 раз.
В (RU 2551218 C1, 20.05.2015) описан способ лечения пациентов со стойкими функциональными нарушениями голоса, который включает проведение электростимуляции и упражнений, направленных на восстановление работы нервно-мышечного аппарата гортани. Электростимуляцию осуществляют током с биполярной асимметричной формой импульса, частотой 20-120 Гц, продолжительностью импульса 0,2 мс, при интервале между импульсами 2 секунды. Время воздействия 5-10 минут. Используют семь пар электродов, расположенных симметрично. Первую и вторую пары электродов располагают в области переднего и заднего брюшек двубрюшной мышцы слева и справа. Третью и четвертую пары электродов располагают горизонтально слева и справа в областях верхней и нижней третей боковой поверхности шеи, пересекая грудино-ключично-сосцевидную мышцу. Пятую пару электродов – на уровне 3 и 6 шейных позвонков в области задней поверхности шеи слева. Шестую пару электродов – на уровне 3 и 6 шейных позвонков в области задней поверхности шеи справа. Седьмую пару электродов – в области средней трети трапециевидной мышцы слева и справа от позвоночника. После чего пациент самостоятельно выполняет ряд упражнений. При этом он выдвигает язык к зубам, затем втягивает корень языка назад. Затем делает вдох и с закрытым ртом зажимает на 1 с крылья носа на протяжении одного выдоха. После этого, не открывая рот, делает вдох и однократно зажимает крылья носа на 5-7 секунд с последующим их открыванием на протяжении одного выдоха. Затем делает вдох, зажимает крылья носа и осуществляет выдох через рот, однократно сжимая на 1 секунду губы. Повторяет данное упражнение, увеличивая длительность сжимания губ до 5-7 секунд. Каждое упражнение пациент выполняет 3-4 раза подряд. Во время выполнения упражнений пациент пригибает голову к груди, прижимая к ней подбородок. После выполнения упражнений воздействуют вибростимуляцией на область плечевого пояса. Воздействие осуществляют частотой 20-60 Гц, амплитудой 1,5 мм, со скоростью нарастания частоты вибрации на 20% за 10 секунд. Время воздействия 10-15 минут. На курс 8-12 процедур, проводимых ежедневно. Способ увеличивает рабочий диапазон голоса, восстанавливает время фонации за счет восстановления сокращения мышц гортани, нормализует функции дыхательного аппарата.
Сочетание медикаментозного и физиотерапевтического лечения предложено в способе коррекции вегетативной нервной системы при функциональных нарушениях голоса (RU 2414935 C2, 27.03.2011), включающем воздействие на область гортани. Воздействие осуществляют ультратонотерапией от аппарата «Ультратон-АМП-2ИНТ». Сначала воздействуют на шейно-воротниковую зону, а затем – на область гортани. Продолжительность воздействия от 5 до 10 минут на каждую область. На курс 10-12 процедур. С началом ультратонотерапии перорально вводят мексидол по 125 мг два раза в день, в течение 2-3 недель. Способ обеспечивает высокую клиническую эффективность восстановления голоса при функциональных нарушениях за счет нормализации нервной регуляции гортани, сокращает прием лекарственных препаратов.
В целом, недостатками способов, описанных в вышеуказанных источниках, можно назвать отсутствие точной диагностики и контроля лечения без использования объективных методов, в частности, измерения частотно-амплитудных характеристик голоса пациента.
Известен способ прогнозирования и коррекции лечения функциональных нарушений голоса (RU 2299009 C1, 20.01.2007). Осуществляют сбор анамнеза, выявляют функциональные дисфонии и проводят медикаментозное лечение, физиотерапию и фонопедическую гимнастику. При этом дополнительно проводят спектральный анализ вариабельности ритма сердца, определяют ультранизкочастотные колебания (VLF) и рассчитывают спектральную плотность мощности (СПМ), принимая за один балл международную единицу СПМ, равную 1 с/Гц·100. Исходя из величины СПМ, прогнозируют возможность рецидива, и корректируют необходимые лекарственные препараты и физиотерапию для восстановления голоса.
Недостатком способа является то, что применяемый метод спектрального анализа вариабельности ритма сердца не является прямым методом диагностики патологии голоса. Фактор вариабельности ритма сердца подвержен значительным изменениям в связи с воздействием других факторов, что, соответственно, не позволяет в полной мере диагностировать патологию без участия других числовых показателей ВРС, которые также подлежат оценке в рамках ВРС, а не только волны HF, LF и VLF, приведенные в патенте, Таким образом, на результаты обследования этим методом может повлиять целый ряд других факторов, не связанных с голосом, с голосообразованием. Определенным недостатком метода является также сложность обеспечения воспроизводимых условий эмоционального состояния пациента при проведении экспериментов, в особенности, учитывая высокую эмоциональную лабильность, различные психологические расстройства, свойственные лицам с патологией голосообразования. Это может привести к большим погрешностям в определении СПМ, и даже к неверной диагностике и, следовательно, к ошибочной методике терапии. Также не всегда целесообразна фармакотерапия, к тому же фармакотерапия может быть более дифференцированной, чем только те препараты, которые указаны в патенте.
Все большую актуальность приобретают способы диагностики пациентов с нарушением голосовых функций с применением спектрального анализа характеристик голоса пациента, а также при помощи глубокого машинного обучения.
Так, известен метод спектрального компьютерного анализа голоса (Василенко Ю.С., Мещеркин А.П., Павлихин О.Г., Романенко С.Г. Спектральный компьютерный анализ голоса – метод ранней и дифференциальной диагностики нарушений голосовой функции// Электронный ресурс https://nikio.ru/спектральный-анализ-голоса). В методических рекомендациях изложен метод оценки функционального состояния голосового аппарата. Сначала собирается анамнез заболевания, проводится общеклиническое обследование, ларингоскопия, микроларингоскопия. Затем проводится запись голоса в специальном кабинете, обязательно снабженном звукоизоляцией. Анализ устойчивости основного тона и продолжительности фонации различных гласных звуков помогает дать прогноз течения заболевания, оценить степень вероятности перехода функционального заболевания в органическое.
Недостатком способа является отсутствие метода программной оценки спектра, отсутствие системы искусственного интеллекта и машинного обучения, обеспечивающих более быструю и точную диагностику.
Известен способ диагностики нейродегенеративных заболеваний с использованием машинного обучения (KR101936302 B1, 08.01.2019). В данном патенте используется нейросеть для диагностики нейродегенеративных заболеваний посредством анализа речевого сигнала пациента. Пользовательские речевые данные преобразуются в данные изображения, которые затем вводятся в обученную нейронную сеть и используются для определения результата диагностики.
Недостатком способа является определенная потеря специфичности метода диагностики в результате преобразования речевых данных в изобразительные. Анализ изображений позволит выявлять ограниченный круг стандартных патологий и не может быть использован для диагностики сложных или сочетанных заболеваний. Кроме того в изображении спектра много лишних данных и, следовательно, потребуются дополнительные ресурсы для их хранения и обработки, в итоге обучение нейронной сети займет больше времени и может дать хуже результат.
На наш взгляд, наиболее близким техническим решением к заявляемому является патент (KR101908955 B1, 17.10.2018). Предложенное решение относится к системе для диагностики речевого заболевания, которая определяет состояние пациента путем анализа его голоса. Система диагностики заболеваний голоса определяет отличия с ранее установленной диагностической информацией. Изобретение включает в себя программу для работы на смартфоне, модуль для ввода голоса субъекта, модуль анализа состояния субъекта путем сравнения голоса субъекта с информацией о диагностике заболеваний, основанной на наборе голосов, и модуль обучения для сверки голоса субъекта с информацией диагностики заболевания посредством алгоритма машинного обучения.
Недостатком указанного способа является отсутствие модуля реабилитации пациентов. Кроме того диагностика через смартфон не даст нужной точности диагноза, ведь там записывается лишь узкий спектр голоса, с искажениями. Нужен более качественный микрофон. К тому же в этом способе нет специальных тестов.
Задача изобретения – разработка нового комплексного способа диагностики и реабилитации пациентов с нарушениями голосо-речевой функции с помощью обученной нейросети, предоставляющего пациентам более быструю и точную диагностику с применением специализированных тестовых заданий и спектрального анализа голоса пациента,  предоставляющего также возможность быстрой и эффективной реабилитации с целью ускорения выздоровления и обеспечивающего отсутствие рецидивов заболеваний, кроме того, расширяющего арсенал известных способов указанного назначения.
Техническим результатом изобретения является не только быстрая и точная программно-аппаратная диагностика с применением анализа частотно-амплитудных характеристик голоса пациента, с высоким разрешением и наглядностью показаний, но и также высокоэффективная помощь в реабилитации пациента за счет непрерывного контроля динамики реабилитации и моментальной корректировки при необходимости, что приводит к быстрому восстановлению голосо-речевой функции пациентов и отсутствию рецидивов заболеваний.
Поставленная задача решается и технический результат достигается заявляемым способом диагностики и реабилитации пациентов с нарушениями голосо-речевой функции.
Способ включает в себя сбор образцов голоса контрольных пациентов путем произношения ими различных типов специальных тестовых заданий, запись образцов голоса пациентов в базу данных с помощью программно-аппаратного комплекса, определение частотно-амплитудных характеристик голоса методом Фурье-анализа. Также предварительно проводится сбор анамнеза заболевания и обследование пациентов с применением клинических методик: магнитно-резонансной томографии, ларингоскопии, эндоскопии, стробоскопии, узко-спектральной визуализации (NBI) с постановкой диагноза, который также заносится в базу данных. Далее осуществляют подготовку входной информации для нейронной сети, определение с помощью нейронной сети математической корреляции между полученными звуковыми данными и диагнозами пациентов, обучение нейронной сети. В результате формируется обширная база данных зависимости диагноза пациентов от частотно-амплитудных характеристик их голоса, а также эталонного звучания голоса здоровых людей из контрольной группы.
Далее при помощи программно-аппаратного комплекса осуществляют запись образцов голоса конкретного пациента путем произношения им специальных тестовых заданий. Причем выбор типа тестовых заданий основывается на анамнезе и результатах предварительных обследований пациента с применением клинических методик. Далее проводят спектральный компьютерный анализ методом Фурье голоса конкретного пациента, анализируют частотно-амплитудные характеристики, с помощью цифровых фильтров выделяют области характерных частот и проводят анализ амплитуды и формы пиков характерных частот. Затем при помощи программно-аппаратного комплекса осуществляют постановку диагноза пациента путем сравнения частотно-амплитудных характеристик голоса конкретного пациента с частотно-амплитудными характеристиками голосов контрольных пациентов из базы данных и с учетом зависимости диагноза контрольных пациентов от частотно-амплитудных характеристик их голоса. Диагноз подтверждают при врачебном осмотре. Реабилитацию осуществляют известными для полученного диагноза методами, при этом дополнительно проводят процедуры реабилитации пациента с применением оригинальных комплексов упражнений (например, фониатрической гимнастики), подбираемых программно-аппаратным комплексом для конкретных патологий, с постоянным, например, ежедневным контролем процесса реабилитации по объективной оценке состояния голосовых характеристик пациента с помощью программно-аппаратного комплекса и коррекцией процедуры реабилитации в зависимости от результатов измерения динамики реабилитации.
Тестовые задания для обычных пациентов и для профессионалов голоса существенно отличаются. Тестовые задания для профессионалов голоса состоят из 12 упражнений:
1. Постоянный тон
2. Максимальная длина фонации
3. Глиссандо вверх
4. Глиссандо вниз
5. Шепот-речь
6. Штро-бас
7. Стаккато
8. Замер ровности
9. Губной вибрант возрастания громкости
10. Губной вибрант убывания громкости
11. Губной вибрантвозрастания высоты
12. Губной вибрант убывания высоты
Тестовые задания для речевых пациентов состоят из шести упражнений:
1. Постоянный тон
2. Максимальная длина фонации
3. Глиссандо вверх
4. Глиссандо вниз
5. Шепот-речь
6. Штро-бас
Ввиду того, что строение черепа, резонаторных полостей, природный тонус голосовых складок каждого конкретного человека имеют индивидуальные особенности, методика достижения оптимального голосообразования также будет варьироваться от пациента к пациенту.
В результате осуществления способа по изобретению для речевых пациентов формируется правильно поставленный речевой голос, а для певцов необходимы не только правильно поставленный речевой голос, но и певческий, которые оказывают большое взаимное влияние друг на друга в профессиональной жизни певца. Цель комплекса реабилитационных упражнений для вокалистов – достижение более длинного дыхания, большего диапазона, ровности вибрато.
Заявляемый способ предусматривает проведение исследования зависимости различных характеристик спектрограммы голоса от типа патологии, формирование и анализ голосовой базы данных. Диагностика и лечение заболеваний голосового аппарата проводятся путем анализа звукового спектра голоса пациента с использованием методик Фурье-анализа, специально подобранных цифровых фильтров  и нейронной сети глубокого обучения. Фурье-анализ используется для предварительной обработки спектра голоса и выделения его частотных характеристик. Цифровые фильтры специальным образом подобраны  и используются для выборки данных, характеризующих отклонения спектра дефектного голоса от спектра здорового голоса, а также для отсечения второстепенных данных, которые не влияют на диагностику.
При проведении спектрального компьютерного анализа голоса обычно измеряется частотно-амплитудная характеристика голоса, проводится преобразование Фурье и определяются основные характеристики голоса: частота основного тона и ее стабильность, тип голоса (сопрано, меццо-сопрано, баритон и др.), частотный и амплитудный (динамический) диапазон голоса, тембр (совокупность обертонов и их регулярность), формантный состав звукового сигнала («полетность»), характеристики вибрато, продолжительность фонации. Метод позволяет также определить скорость нарастания и затухания звукового сигнала («атака»), стабильность частотно-амплитудной характеристики голоса («сила», «ровность», «чёткость»), стабильность характеристик голоса в течение длительного времени 2 – 6 часов (выносливость голоса), количество областей резонансного усиления голоса – формант, появление добавочных частотных пиков, нехарактерных для данного типа голоса. Отличием и преимуществом нашей методики является наличие специальных тестов при записи голосов пациентов-вокалистов и «обычных» пациентов, применение цифровых фильтров для энергетического и спектрального анализа голоса. Цифровые фильтры специальным образом разработаны и используются для выбора данных, характеризующих отклонение спектра дефектного голоса от спектра здорового голоса, а также для отсечения второстепенных данных (участков спектра), которые не влияют на диагностику, что также обеспечивает существенную экономию вычислительных мощностей и ускоряет постановку диагноза и реабилитацию пациента. В отличие от более ранних работ, наша методика позволяет характеризовать голос по всем перечисленным выше пунктам, так как проводится профессиональная запись голоса с высоким разрешением по амплитуде и времени. Применение искусственного интеллекта позволяет анализировать большие массивы данных, вырабатывать предложения по точной диагностике и рекомендации для реабилитации пациентов.
Компьютерный анализ спектральных характеристик голоса позволил выявить целый ряд патологий. При фонастении наблюдается, например,  резкое снижение или отсутствие основного тона. При кровоизлиянии в голосовую складку наблюдается снижение частотного и амплитудного диапазона голоса, нестабильная частота и тембр голоса. Гипотонусная дисфония характеризуется смещением частоты основного тона в сторону низких частот, сужением динамического диапазона, нестабильностью тембра. Таким образом, компьютерный анализ изменений спектральных характеристик голоса и клинических данных позволяет проводить однозначную диагностику патологий голоса.
На Фиг. 1 представлены алгоритм способа и блок-схема программно-аппаратного комплекса (ПАК) для диагностики и реабилитации пациентов с нарушениями голосо-речевой функции.
Аппаратно-программный комплекс обеспечивает сбор и анализ базы данных группы сравнения и группы с различными патологиями, изучение зависимости различных характеристик спектрограммы голоса от типа патологии. Комплекс позволяет исследовать и контролировать изменения показателей спектрограммы в ходе реабилитации. Анализ динамики изменения спектральных характеристик голоса обеспечивает при необходимости корректировку индивидуальной программы реабилитации.
К аппаратной части профессионального устройства для спектрального анализа голоса предъявляются следующие требования: высокая звуковая чувствительность, низкий уровень собственных шумов, линейная амплитудно-частотная характеристика, большой динамический диапазон.
При осуществлении изобретения в качестве аппаратного модуля комплекса был использован студийный комплект Focusrite Scarlett Solo Studio 3rd Generation, состоящий из микрофона, внешней звуковой карты, усилителя, наушников, микрофонного и USB- кабелей, программного обеспечения. Конденсаторный кардиоидный микрофон CM25 MkIII с большой диафрагмой 20 мм обеспечивает запись звука со студийным уровнем качества, позволяя получить запись, точно передающую оттенки оригинального голоса. В комплект также входит микрофонный предварительный усилитель Scarlett третьего поколения, аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи с 24-битными конвертерами и частотой дискретизации 192 кГц. Аудиоинтерфейс подключается к компьютеру USB-кабелем и не требует использования внешнего блока питания. Для мониторинга процесса записи голоса используются референсные закрытые наушники Scarlett Studio HP60 MkIII.
Характеристики микрофонного входа, определяющие в значительной степени характеристики всей аппаратной части: динамический диапазон: 111 дБ; частотная характеристика: от 20 Гц до 20 кГц, ±0,1 дБ; коэффициент нелинейных искажений с учетом шума: < 0,0012 %; эквивалентный уровень шума на входе: –128 дБ; максимальный уровень входного сигнала: +9 дБ при минимальном усилении, диапазон коэффициентов усиления: 56 дБ.
Программное обеспечение состоит из четырех основных частей: для управления оборудованием записи звука, для спектрального анализа, для сбора голосовой информации и формирования базы данных, для анализа больших массивов данных с помощью «искусственного интеллекта». В комплект оборудования входит программное обеспечение, необходимое для записи голоса, включая две полнофункциональные рабочие аудиостанции Ableton Live Lite и Pro Tools Firs Focusrite Creative Pack.
Для энергетического и спектрального анализа голоса используют программу «Цифровой фильтр» – фильтр диапазонов частот.
В программно-аппаратном комплексе используются четыре типа программ.
1) Программа сбора и предварительной обработки данных. Основной объем данных занимают звуковые образцы. Каждый звуковой фрагмент длиной в несколько секунд занимает до 1 МБ. Таких фрагментов для каждого обследуемого собирают до 10 образцов. Для сбора минимального необходимого количества данных необходимо исследовать не менее 100 человек, таким образом, минимальный объем данных занимает до 1 ГБ. В дальнейшем возможно увеличение количества пациентов и данных, и соответственно, объема базы данных, для более эффективной диагностики.
2) Программа обучения нейронной сети. Программа требует больших вычислительных ресурсов. Для ускорения расчетов требуется мощная видеокарта с памятью не менее 8 ГБ. Программа использует голосовые данные, полученные программой сбора данных. Объем используемой базы данных занимает от 1 ГБ до нескольких сотен гигабайт.
3) Серверная программа. Она использует обученную нейронную сеть. Для ее работы используют сервер конфигурации не менее 8 ГБ оперативной памяти, не менее 16-ядерного процессора. Сервер работает под операционной системой семейства Linux. Как вариант используют виртуальный облачный сервер, предоставляемый облачным провайдером.
4) Клиентская программа. Эта программа обращается к серверной программе для выполнения диагностики и получения результатов лечения. Для ее работы используют компьютер с конфигурацией: не менее 2ГБ оперативной памяти, не менее 4-х ядерного процессора под управлением операционной системы Windows 7 и выше.
Для обработки и классификации данных нами использован один из самых актуальных методов: искусственный интеллект и, в частности, машинное обучение. Хорошую эффективность показала такая методика машинного обучения, как глубокое обучение с помощью, так называемых, «нейронных сетей». Нейронные сети успешно использованы нами для классификации спектров голоса. Посредством обучения нейросети большим объемом данных выделяются характерные общие признаки, которые объединяют схожие спектры голосов, имеющих, например, одинаковый дефект. Для эффективного выделения нужных признаков, набор записываемых голосов должен иметь одинаковые параметры, к примеру, это было воспроизведение одинаковых специальных тестовых заданий. Далее продолжается обучение нейросети на других входных параметрах, что даёт возможность повысить точность классификации. Затем обученная нейросеть используется для постановки диагноза. На основе диагноза выдается комплекс рекомендаций и упражнений для лечения и реабилитации.
Нейронная сеть не дает стопроцентных прогнозов, она выдает прогноз с некоторой долей вероятности. Получая прогноз на протяжении времени, нами определяется динамика изменения вероятности. Таким образом, выявляется, к примеру, насколько была эффективной реабилитация пациентов с проблемами с голосом, исследуя, насколько меняется вероятность совпадения характеристик с эталонным здоровым голосом. Это позволило использовать глубокое машинное обучения для контроля динамики реабилитации пациентов. В ходе реабилитации производились контрольные записи голоса пациента, анализировались изменения показателей спектрограммы с использованием нейросети с целью её обучения. При необходимости это позволяет производить быструю корректировку индивидуальной программы реабилитации.
Настоящий способ является комплексным, но в то же время делается упор на голосовую диагностику и реабилитацию, и не требуется дополнительного дорогостоящего оборудования. В рамках телефонного оборудования также возможно применение технического решения для речевых пациентов. Способ не затратный и легко имплементируемый.
Настоящее техническое решение отличается от имеющихся разработок современным высокоэффективным комплексом упражнений для индивидуальной реабилитации, учитывающим мировой опыт работы с человеческим голосом. Комплекс упражнений состоит из упражнений на дыхание, лимфодренажной гимнастики, упражнений на растяжку мышц, участвующих в фонации – языка, дыхательных мышц, мышц лица, тазового дна, мышц груди, шеи, спины; упражнений на расслабление гортани, массажа голосовых складок, медитации, упражнений на физиологичную, легкую эмиссию звука, артикуляционной гимнастики, звукоизвлечения на краевом смыкании голосовых складок, расслабления после длительной голосовой нагрузки, самомассажа и растяжки, вибромассажа, настройки резонаторов.
Далее в качестве примера приведены три комплекса для реабилитации при трех различных патологиях: функциональной дисфонии по гипотонусному типу, гипертонусных нарушениях голоса, вазомоторном монохордите.
Функциональная дисфония по гипотонусному типу.
1. Гимнастика Стрельниковой 20 мин ежедневно
2. Активные танцевальные программы (аэробика, ZUMBA). Нестандартный пункт, но часто у больных этой патологией встречается сниженный тонус организма в целом, вялое эмоциональное состояние. Данные фитнесс-программы оказывают положительное воздействие на динамику реабилитации. Хорошо зарекомендовавшим себя способом является также произнесение недлинных слоговых рядов под ритмичную тренировку, например с использованием губного вибранта «БВИ БВЭ БВА БВО БВУ БВЫ».
3. Обучение правильной фонации на мягкой атаке
4. Рекомендован прием неделю ежедневно на протяжении недели во время завтрака – размешать в 200 мл воды 180 мг Витамина С, Кальция 300 мг, 2 столовые ложки сахара, настойка элеутерококка 20 капель.
5. Настроена диета – рекомендовано в начале трапезы употреблять белки, далее углеводы, что обеспечивает стабильный уровень сахара в крови, а также помогает контролировать вес, не злоупотреблять быстрыми углеводами, в начале трапезы в особенности.
6. Лимфодренажная гимнастика.
7. Рекомендованы фонопедические реабилитационные упражнения - штро-бас, инспирационная фонация – для расслабления и массажа голосовых складок, а также включения в работу резонанса трахео-бронхиального древа.
8. Обеспечить голосовой покой – снижена голосовая нагрузка в повседневной жизни. С домашними общаться с помощью блокнота и ручки. На работе обеспечить, по возможности, те же условия.
9. Занятия растяжкой на всё тело – 30 минут в день.
10. Растяжка мышц шеи и большой грудной мышцы с одновременным опусканием гортани с закусанной нижней губой на вдохе и выдохе на бесшумном «пфу». Фонема «У» была выбрана дабы избежать подскока гортани при смене вдоха выдохом.
11. Голосовые тренировки с использованием программно-аппаратного комплекса проводятся в режиме шесть дней в неделю, седьмой день - отдых.
Гипертонусные нарушения голоса.
1. Бег два-три раза в неделю не менее получаса, либо быстрая ходьба по утрам перед началом фонации для переработки излишнего адреналина, скопившегося в мышцах.
2. Применение следующей техники. Предлагаем пациенту представить, что он жует, просим выполнять жевательные движения (без какой-либо еды, воды и жевачек во рту, естественно). В процессе жевания происходит рефлекторное расслабление, человек не чувствует опасности, (адреналин – гормон, вырабатывающийся в ответ на ситуации опасности), в момент жевания начинаем издавать сначала звуки на фонационном механизме стона «Ах, как вкусно!», далее вводим слоги, слова, увеличиваем динамический и интонационный диапазон голоса.
3. Тренировки на освоение придыхательной, затем мягкой атаки.
4. Занятия растяжкой на всё тело – 30 минут в день.
5. Растяжка мышц шеи и большой грудной мышцы с одновременным опусканием гортани с закусанной нижней губой на вдохе и выдохе на бесшумном «пфу». Фонема «У» была выбрана дабы избежать подскока гортани при смене вдоха выдохом.
Вазомоторный монохордит.
1. Инспираторная фонация
2. Показан прием венотоников и ангиопротекторов- препаратовдетралекс 500 мг или троксевазин в капсулах.
3. Также показаны внутригортанные вливания: 1 мл. жидкого экстракта алоэ (раствор для подкожного введения в ампулах 1 мл.),1 капсула троксевазинаразломить и высыпать порошок, 3 мл. физраствора. После вливания рекомендуется помолчать 15 мин., далее проводятся фонопедические тренировки.
4. Рекомендована консультация гинеколога и эндокринолога с целью нормализации гормонального фона.
5. При данной патологии рекомендуется месяц молчания (голосовой режим), далее начинаются фонопедические тренировки на косто-абдоминальное дыхание, правильную технику пения, также возможен подбор более подходящего (чаще более низкого по тесситуре) репертуара для вокалиста.
Способ осуществляют следующим образом. Для этого последовательно выполняются четыре основных блока, которые являются этапами реализации технического решения:
1. Блок сбора данных
2. Блок обработки данных
3. Блок обучения нейронной сети
4. Блок диагностики и реабилитации
Блок сбора данных предназначен для сбора звуковых образцов голосов контрольных пациентов и соответствующих им патологий голосового аппарата, а также для записи голосов эталонного звучания здоровых людей из контрольной группы. Запись образцов голоса пациентов производится с помощью программно-аппаратного комплекса. Образцы голоса получают путем произношения пациентом различных типов тестовых заданий. Уже на этом этапе делят тестируемых (произносящих) на пациентов, пользующихся речью и певцов. Для каждой группы поставлены совершенно определенные задачи. При прохождении диагностики пациенты делятся на два типа, в зависимости от сферы применения голосовой функции – сугубо речевая функция или, если человек является певцом, то вокальная в том числе. Соответственно, для разных типов пациентов применяются разные типы тестов для получения образцов голоса. Образцы голоса и соответствующие им патологии сохраняются в базе данных.
Блок обработки данных предназначен для подготовки входной информации для нейронной сети. Для этого из образцов звука, полученных на первом этапе, выделяется информация, существенная для определения диагноза и получаемая из анализа частотно-амплитудных характеристик, такие, как, например, продолжительность фонации, чистота звука, сила, ровность, четкость, способ подачи звука. Аппаратура и программное обеспечение (в частности, Фурье-анализ), используемые при реализации способа, позволяет нам измерить, сохранить и проанализировать все эти характеристики.
Блок обучения нейронной сети определяет математическую корреляцию между полученными звуковыми данными и диагнозами пациентов. Определение такой корреляции требует большой вычислительной работы. Чем больше собрано предварительных данных, тем более точную корреляцию можно получить. Итогом этого блока является обученная нейронная сеть.
Блок диагностики и реабилитации – основной блок, который предназначен для проведения диагностики пациентов и их лечения. С помощью программно-аппаратного комплекса пациент записывает образцы своего голоса. Затем нейронная сеть на основе полученных ранее образцов, а также с помощью установленной корреляции выдает диагноз в виде списка вероятностей различных патологий. На основании этого списка и результатов традиционного клинического обследования врач ставит диагноз. Таким образом, повышается точность диагностирования заболевания и уменьшается время диагностирования. Для лечения патологий программа выдает список упражнений и рекомендаций. Этот список был загружен в программу на стадии обучения нейронной сети. Диагностика пациента с применением программно-аппаратного комплекса проводится с постоянной периодичностью (например, раз в день). На основе последовательности диагностических данных определяется динамика реабилитации пациента. Врач отслеживает на основе собранной статистики эффективность лечения и, при необходимости, быстро корректирует процесс реабилитации. Данные, собираемые системой, также позволяют врачам исследовать эффективность различных методик лечения.
Заявленное техническое решение отличается от аналогов наличием блока для реабилитации, который позволяет оптимизировать восстановление голоса пациента с помощью нейросети – ускорить восстановление за счёт объективной каждодневной оценки результатов реабилитации и своевременной коррекции в случае необходимости.
Пример 1. Пациент №1, женщина, 42 года, сотрудник банка.
Жалобы – охриплость голоса, выносливость голоса снижена. После всего лишь пяти минут спокойного разговора голос начинает хрипнуть.
Провели диагностику клиническими обычно применяемыми методиками: магнитно-резонансную томографию шейного отдела позвоночника, видеостробоскопию гортани, узко-спектральную визуализацию (NBI) и диагностику с применением программно-аппаратного комплекса. Запись фонации проводилась в несколько этапов, так как сниженная выносливость голоса не позволяла провести диагностику за один раз.
Выявлено – диапазон речевого голоса сужен: от 195 Гц до 329 Гц. Слабость органов артикуляции, зажатость мышц шеи, остеохондроз шейного отдела позвоночника.
Диагноз программно-аппаратного комплекса – дисфония по гипотонусному типу.
Проведена консультация врача-фониатра. Диагноз подтвержден.
Наряду с обычно применяемым при данном диагнозе лечением, таким, как диета и медикаментозное лечение, назначенные врачом-фониатром (пп. 1-3, 5), назначены реабилитационные меры, рекомендованные программно-аппаратным комплексом, и подтвержденные врачом (пп. 4, 6-7). Список фонопедических упражнений рекомендован программно-аппаратным комплексом.
Рекомендованный комплекс для лечения и реабилитации включает:
1. Рекомендован прием неделю ежедневно во время завтрака – размешать в 200 мл воды 180 мг Витамина С, Кальция 300 мг, 2 столовые ложки сахара, настойка элеутерококка 20 капель. Далее – было рекомендовано продолжить прием через день.
2. Настроена диета – рекомендовано в начале трапезы употреблять белки, далее углеводы, что обеспечивает стабильный уровень сахара в крови, а также помогает контролировать вес, не злоупотреблять быстрыми углеводами, в начале трапезы в особенности.
3. Проводилась лимфодренажная гимнастика, гимнастика Стрельниковой 20 минут в первой половине дня.
4. Рекомендованы фонопедические реабилитационные упражнения – штро-бас, инспираторная фонация – для расслабления и массажа голосовых складок, а также включения в работу резонанса трахео-бронхиального древа.
5. Обеспечен голосовой покой – снижена голосовая нагрузка в повседневной жизни. С домашними общалась с помощью блокнота и ручки. На работе постаралась обеспечить, по возможности, те же условия.
6. Занятия растяжкой на всё тело – 30 минут в день.
7. Растяжка мышц шеи и большой грудной мышцы с одновременным опусканием гортани с закусанной нижней губой на вдохе и выдохе на бесшумном «пфу». Фонема «У» была выбрана дабы избежать подскока гортани при смене вдоха выдохом.
Вышеперечисленные назначения выполнялись на протяжении 2,5 недель.
Далее произведена коррекция с использованием ПАК и назначение дополнительных реабилитационных мер с учетом индивидуальных особенностей и по мере продвижения процесса выздоровления. Голосовые тренировки с использованием ПАК проводят, начиная с третьей недели лечения, в режиме шесть дней в неделю, седьмой день – отдых.
Голосовые тренировки с использованием ПАК состоят в обучении правильной атаке звука. Так как гипотонус возникает, если нарушена координация между диафрагмой и гортанью, необходимо восстановить правильную координацию, синхронизируя включение в работу диафрагмы и голосовой щели при атаке звука, что достигают, произнося сначала короткие звуки: «МА, МО, МУ, МЭ, МИ», а затем: «А, О, У, Э, И» под контролем программно-аппаратного комплекса.
Контроль и успешность исполнения оценивались с помощью программно-аппаратного комплекса. Пациент записывала свой голос в голосовой тренировке, обучающей правильной атаке звука с использованием ПАК в ходе ежедневных занятий. Программа сравнивала текущую запись голоса пациента с записью голоса, сделанной при первоначальной диагностике и с ежедневными записями, а также с записью эталонного исполнения упражнений. При этом были использованы следующие характеристики звука: основная частота, распределение энергии по частотному спектру, амплитуда, скорость нарастания амплитуды, улучшение фонации, расширение диапазона, повышение звонкости, улучшение тембральных качеств, наличие «полетности» голоса. Программно-аппаратный комплекс также оценивает успешность выполнения реабилитационных заданий, выдает отчет как пациенту, так и отправляет лечащему врачу и фонопеду. Фонопед и лечащий врач корректируют рекомендации ПАК и ход лечения в начале и в процессе реабилитации.
В результате лечения, включающем реабилитационные мероприятия с использованием ПАК, достигнуто увеличение выносливости голоса, нормализован тонус голосовых связок, установлен правильный двигательный стереотип голосообразования, обеспечивающий ясность речи, «полетность голоса» и физиологичность работы голосового аппарата.
Увеличение выносливости голоса оценивали по субъективным ощущениям пациентки, а также замеряли продолжительность голосовой тренировки до наступления ощущения легкой усталости голоса. Звучание голосовых связок, находящихся в правильном тонусе достаточно просто отличить от вариантов с отклонениями. Полетность голоса замеряется наличием в спектре голоса выраженной высокой певческой форманты, которая лежит у всех – и у мужских, и у женских голосов в районе 2300-3500 Гц. Реабилитация данной пациентки продолжалась один месяц. Если без ПАК, было бы значительно дольше, так как стандартный срок реабилитации гипотонуса до 4 месяцев.
Пример 2. Пациент – женщина, 24 года. Профессионал голоса, вокалист. Сопрано.
Жалобы – выносливость и диапазон голоса снижены. Диапазон голоса до возникновения патологии ми малой октавы 329 Гц – си-бемоль третьей 1864 Гц.
Провели диагностику при помощи специальных тестовых упражнений для певцов.
Выявлены – диапазон певческого голоса от ми малой октавы 329 Гц до ми второй октавы 1318 Гц, невозможность фонации верхнего участка диапазона, невозможность осуществления модуляций голоса по высоте, силе. Максимальная длина фонации 8 сек. Выпадение нот малой терции от «ля» первой до «до» второй октавы. Высокая певческая форманта слабо выражена, «полетность» голоса снижена. Вялость органов артикуляции, зажатость мышц шеи и плеч, общий сниженный энергетический потенциал.
Также косвенно на развитие патологии повлияли аварийная стрессовая ситуация, неверно подобранный репертуар, нарушения гормонального фона, шейный остеохондроз, общая высокая стрессогенная обстановка, большая голосовая нагрузка.
Диагноз – вазомоторный монохордит, гипо-гипертонус гортани. Диагноз подтвержден фониатром.
Реабилитационные меры:
1. Прием ежедневно детралекс 500 мг, витамин С – 180 мг, коэнзим Q 60 мг, бромелайн 500 мг во время еды в течение дня.
2. Занятия лечебной физкультурой 3 раза в неделю, лимфодренажная гимнастика, плавание в бассейне.
3. Быстрая ходьба каждый день 45 минут перед фонопедическими тренировками для переработки излишнего адреналина в мышечной ткани. Возможен бег, продолжительностью 30 минут. После бега делается пауза в 2-3 часа до пения.
4. Режим тренировок: 4 дня пения, 2 дня отдыха, далее - 5 дней пения, 2 дня отдыха, 5 дней пения, 1 день отдыха, далее по мере выздоровления 6 дней пения, 1 день отдыха.
5. Реабилитационные упражнения - штро-бас, инспираторная фонация – для расслабления и массажа голосовых складок, выработки краевого смыкания голосовых складок.
6. Принимая во внимание, что тонус и скорость смыкания голосовых складок у данного пациента от природы высокие, главной задачей реабилитации является выработка верной мягкой атаки в противовес твердой.
7. Над тусклыми тонами в среднем участке диапазона голоса работать на открытых гласных, звук, пытаясь добиться кажущейся ложной интенсивности и звучности, не затемнять. В конечном итоге голосовые складки привыкнут к верному механизму и звучность выпадавших тонов восстановится.
8. Заниматься перед зеркалом, убирая лишние движения телом и артикуляционным аппаратом во время пения.
9. Показано общее расслабление, медитации ежедневно 10 мин.
10. Растяжка мышц шеи и большой грудной мышцы.
11. С целью предотвращения голосовых перегрузок: слишком много не тренироваться, более двух часов в день не петь. Час в первой половине дня, далее большой перерыв и вечером дополнительно еще 45-60 мин.
Таким образом, способ обеспечивает более высокую скорость реабилитации и успешность лечения.  До применения программно-аппаратного комплекса пациент №2 целый год не могла справиться с проблемами голоса ввиду сложности патологии. Из-за нестабильности вокального аппарата певица не могла устроиться на работу в качестве солиста-вокалиста. Известно, что при длительном патологическом состоянии голоса возникает так называемая «привычная осиплость», т.е. звучание нездорового аппарата, а тем более несовершенный способ голосообразования крепко запоминается вокалистом, постепенно расстающимся с надеждой на возможность излечения. Это усложняет процесс реабилитации. С применением программно-аппаратного комплекса появилась возможность самому вокалисту визуально контролировать правильность исполнения упражнений благодаря возможности отследить рисунок формант и характер атаки звука, что позволило соотнести свои звуковые представления с объективными данными отчета программно-аппаратного комплекса.
Таким образом, предложен новый комплексный способ диагностики и реабилитации пациентов с нарушениями голосо-речевой функции с помощью обученной нейросети, расширяющий арсенал известных способов указанного назначения и позволяющий не только оперативно и более точно поставить диагноз, но и максимально быстро и без возникновения рецидивов восстановить голосо-речевую функцию за счет выполнения специализированных реабилитационных упражнений под непрерывным контролем программно-аппаратного комплекса, что обеспечивает мониторинг динамики реабилитации и моментальную корректировку в случае необходимости.