Covid感染的迹象可能隐藏在语音信号中

当同事们在与感冒作斗争时，通常很容易辨别--他们听起来很不舒服。也许他们的声音较低，或者有鼻音。感染会以各种方式改变我们的声音质量。但麻省理工学院林肯实验室的研究人员正在新冠肺炎患者身上检测到这些变化，即使这些变化太微妙，人们自己听不到，甚至注意不到。

通过处理新冠肺炎感染者的语音录音，但尚未出现症状，这些研究人员发现了这种疾病的声音生物标记物或可测量指标的证据。这些生物标记物源于感染引起的呼吸系统、喉部和关节系统肌肉运动的中断。描述这项研究的技术信函最近发表在IEEE医学和生物学工程开放期刊上。

虽然这项研究仍处于早期阶段，但初步的发现为更详细地研究这些声音变化奠定了框架。这项工作也可能为使用移动应用程序对人们进行疾病筛查带来希望，特别是那些没有症状的人。

该实验室人类健康和绩效系统小组的高级工作人员托马斯·夸蒂耶里(Thomas Quatieri)说，我在看新闻的时候有了这样一个瞬间。在过去的十年里，Quatieri一直在领导该小组在声乐生物标记物方面的研究；他们的重点一直是发现神经疾病的声乐生物标记物，如肌萎缩侧索硬化症(ALS)和帕金森氏症(Parkinson‘s disease)。这些疾病和其他许多疾病改变了大脑将想法转化为文字的能力，而这些变化可以通过处理语音信号来检测。

他和他的团队想知道新冠肺炎的发声生物标记物是否也存在。这些症状使他们这样认为。当症状显现时，一个人通常会呼吸困难。呼吸系统的炎症会影响一个人说话时呼出空气的强度。这种空气与数百块其他可能发炎的肌肉在其演讲过程中相互作用。这些相互作用会影响构成其生物标记物基础的声音可测量品质的响度、音调、稳定性和共鸣。

在看新闻时，夸蒂耶里意识到他面前有新冠肺炎检测呈阳性的人的语音样本。他和他的同事在Youtube上搜索名人或电视主持人在新冠肺炎阳性但没有症状时接受采访的片段。他们确定了五个受试者。然后，他们下载了这些人在有新冠肺炎之前的采访，尽可能匹配音频条件。

然后，他们使用算法从每个音频样本的声音信号中提取特征。哈佛大学言语与听觉生物科学与技术项目的博士生塔尼娅·塔卡尔(Tanya Talkar)说，这些声音特征可以代表言语产生系统的潜在运动。

信号的幅度，或响度，是提取作为呼吸系统运动的代理。为了研究喉部的运动，他们测量了音调和音调的稳定性，这是声带稳定性的两个指标。他们提取语音共振峰作为发音器运动(如舌头、嘴唇、下巴等)运动的指标。语音共振峰是一种频率测量，它对应于嘴巴如何塑造声波，以创造一系列音素(元音和辅音)，并对特定的声音质量(例如，鼻音与暖音)做出贡献。

他们假设新冠肺炎发炎导致这些系统中的肌肉过度耦合，导致运动不那么复杂。夸蒂耶里说，把这些语音子系统想象成熟练钢琴家的手腕和手指；通常情况下，这些动作是独立的，非常复杂。现在，想象一下，如果手腕和手指的动作粘在一起，作为一个整体移动。这种耦合将迫使钢琴家演奏一首简单得多的曲子。

研究人员寻找他们特征之间耦合的证据，测量每个特征在受试者说话时如何以10毫秒的增量相对于另一个特征发生变化。然后将这些值绘制在本征谱上；该本征谱图的形状表示信号的复杂性。如果这些值的特征空间形成球面，则信号是复数。塔卡尔说，如果不那么复杂，它看起来可能更像一个扁平的椭圆形。

最后，他们发现，与新冠肺炎之前的采访相比，新冠肺炎采访的动作复杂性有所降低。Talkar说，喉部和发音器运动之间的耦合不那么突出，但我们看到呼吸和喉部运动之间的复杂性有所降低。

这些初步结果提示，发声系统协调产生的生物标志物可以指示新冠肺炎的存在。然而，研究人员指出，现在下结论还为时过早，还需要更多的数据来验证他们的发现。他们现在正在使用卡内基梅隆大学公开发布的数据集，其中包含新冠肺炎检测呈阳性的个人的音频样本。

除了收集更多数据来推动这项研究之外，该团队还在考虑使用移动应用程序来实施这项研究。目前正在与麻省理工学院麦戈文脑研究所的萨特拉·戈什合作，将新冠肺炎的声音筛选整合到其最新的VoiceUp应用中，该应用最初是为了研究声音和抑郁症之间的联系而开发的。后续的努力可能会将这种声音筛选添加到“我们感觉如何”应用程序中。这款应用程序向用户询问他们的日常健康状况和人口统计数据，目的是利用这些数据来定位热点地区，并预测该国不同地区患有这种疾病的比例。要求用户还提交每天的语音备忘录，以筛选新冠肺炎的生物标志物，这可能有助于科学家了解疫情。

该研究小组的负责人杰弗里·帕尔默(Jeffrey Palmer)表示，集成到移动应用程序中的传感系统可以在人们感到不适之前及早发现感染情况，特别是对这些从未感到不适或出现症状的人来说。作为新冠肺炎整体监测系统的一部分，这也是美军感兴趣的事情。即使在确诊后，这种传感能力也可以帮助医生远程监测患者的病情，或者监测疫苗或药物治疗的效果。

随着研究小组继续他们的研究，他们计划采取更多措施来解决可能导致结果不准确的潜在混杂因素，例如不同的录音环境、受试者的情绪状态，或者其他导致声音变化的疾病。他们也在支持类似的研究。麻省总医院布里格姆创新中心已经将他们与国际科学家联系起来，这些科学家正在遵循团队的框架来分析咳嗽。

还有很多其他有趣的领域值得一看。在这里，我们观察了对声道的生理影响。夸蒂耶里说，我们还在寻求扩大我们的生物标记物，以考虑与新冠肺炎有关的神经生理影响，比如味觉和嗅觉的丧失。这些症状也会影响说话。