Chcesz wydać pracę habilitacyjną, doktorską czy monografię? Zrób to w Wydawnictwie Borgis – jednym z najbardziej uznanych w Polsce wydawców książek i czasopism medycznych. W ramach współpracy otrzymasz pełne wsparcie w przygotowaniu książki – przede wszystkim korektę, skład, projekt graficzny okładki oraz profesjonalny druk. Wydawnictwo zapewnia szybkie terminy publikacji oraz doskonałą atmosferę współpracy z wysoko wykwalifikowanymi redaktorami, korektorami i specjalistami od składu. Oferuje także tłumaczenia artykułów naukowych, skanowanie materiałów potrzebnych do wydania książki oraz kompletowanie dorobku naukowego.

© Borgis - Nowa Medycyna 3/2000
Piotr Świdziński
Obiektywna metoda akustycznego różnicowania zaburzeń głosu
The objective method of voice disorders acoustic differentiation
z Kliniki Foniatrii i Audiologii Akademii Medycznej im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu
Kierownik Kliniki: prof. dr hab. med. dr h.c. Antoni Pruszewicz
Streszczenie
Summary
The fidelity of the recording and digital processing of the acoustic signal – a stochastic process – is in keeping with an ever increasing amount of measurable qualities (corresponding to various subjective evaluations) of human voices and allows for a very precise and objective evaluation of discrete qualities, which would otherwise be indiscernible in the subjective listening evaluation of voice and speech impediments.
The purpose of this paper was to employ the research potential of the KAY Elemetrics Analyzer and its component software (MDVP – Multi Dimensional Voice Program) and to develop a research methodology, allowing a discriminating evaluation of the vocal organs.
The differentiation of pathological voices from those of normal emission within the MDVP is, in 98% of the cases, statistically significant only for those parameters describing changes in frequency. Acoustic analysis in the MDVP, performed both before and after voice overloading, gives much better differentiating effects for organic lesions than it does for functional ones localized in the vicinity of the glottis than do the results of direct measurements. MDVP analyses, together with spectrographic ones are an objective image of progress in voice rehabilitation in subjects following surgical operations of the larynx, deaf subjects with cochlear implants etc. An evaluation of the dynamics of changes in the acoustic analysis of dysfunctional voice is of considerable prognostic and cognitive value. The clinical value of the introduced method has grown considerably in an evaluation of the state of the voice organs, thanks to its simplicity in application and its great effectiveness in describing the quantitative nature of dysfunctions.
W szeroko pojętej diagnostyce laryngologicznej i foniatrycznej zaburzeń głosu i mowy analizy akustyczne są badaniami pomocniczymi i uzupełniającymi. Wartość tych badań w ostatnim 10-leciu znacznie wzrosła dzięki wprowadzeniu bardzo szybkich, cyfrowych analizatorów głosu, opartych na najnowszych generacjach komputerów osobistych ze specjalnym oprogramowaniem. Zwiększyła się dokładność oceny zaburzeń głosu i mowy zlokalizowanych w krtani oraz w kanale gardłowym i ustno-nosowym.
Analiza akustyczna pozwala na fizyczny opis przebiegów generowanych i emitowanych przez narząd głosu człowieka i dobrze koreluje ze stanem foniatrycznym przy prawidłowej i patolologicznej emisji głosu. Były i są nadal stosowane dwie metody oceny głosu: klasyczna, oparta na subiektywnej ocenie odsłuchowej głosu, oraz nowoczesna, oparta na obiektywnych obrazach analizy akustycznej spektrograficznej, sonograficznej czy zapisie czasowym sygnału mowy (3). Cechy fizyczne głosu determinują stosowanie najnowszej techniki cyfrowej w analizie akustycznej oraz w dokładnej analizie statystycznej uzyskanych wyników (2). Wierność rejestracji i przetwarzania cyfrowego sygnału akustycznego, który jest procesem stochastycznym, sprzyja opracowaniu coraz większej liczby cech mierzalnych (charakterystycznych dla różnych cech subiektywnych) głosów ludzkich i pozwala na bardzo dokładną, obiektywną ocenę dyskretnych, niezauważalnych w metodzie odsłuchowej, zaburzeń głosu i mowy. Temu służy program wieloparametrowej analizy głosu MDVP (Multi Dimensional Voice Program) (1).
Aparatura badawcza i oprogramowanie komputerowe
Współczesne pracownie fonetyczne bądź foniatryczne, czy fonologiczne, wykorzystują analizatory analogowe lub cyfrowe, głównie dwóch firm Brüel & Kjaer oraz KAY Elemetrics. W polskich ośrodkach foniatrycznych i akustycznych wykorzystywane są analizatory akustyczne budowane na kartach dźwiękowych komputerów typu IBM PC, z zastosowaniem własnego oprogramowania. Przy braku jednolitej techniki nagrań oraz różnych metodykach analizatory te nie są w stanie spełnić żądań wierności odtwarzania sygnałów analizowanych oraz dokładności oceny analizy akustycznej głosu i nie pozwalają na porównywanie wyników badań. Prace naukowe z zakresu analizy akustycznej głosu wykonywanej przy pomocy polskiego analizatora VOLYZER (konstrukcji Politechniki Poznańskiej) są nieliczne, a wyniki nie- satysfakcjonujące w chwili obecnej nawet samych twórców. W ośrodkach akademickich na całym świecie w coraz szerszym stopniu używa się analizatora KAY Elemetrics Model CSL 4300, który w połączeniu z komputerem IBM PC daje znacznie większe możliwości wykorzystania go do oceny obiektywnej głosu ludzkiego niż aparatura konstruowana samodzielnie.
Metodyka badania
Nagranie głosu do analizy powinno odbywać się w pomieszczeniu wyciszonym o średnim poziomie ekwiwalentnym hałasu nie przekraczającym 30 dB (A), przy pomocy magnetofonu dwukanałowego, profesjonalnego, najczęściej kasetowego wysokiej jakości. Taśmy użyte do nagrań muszą być najwyższej klasy. Nagranie powinno odbywać się jednocześnie przy pomocy mikrofonu i laryngofonu.
Przed nagraniem badany kilkakrotnie czyta zadany tekst w celu zaznajomienia się z nim. Podczas nagrania odległość mikrofonu od ust wynosi ok. 5-10 cm. Poziom nagrania jest kontrolowany automatycznie dla wszystkich nagrań (próbek głosu) i w miarę możliwości stały.
Laryngofon jest oddzielnym urządzeniem przetwarzającym drgania mechaniczne strun głosowych (przy pomocy specjalnej opaski zakładanej wokół szyi, poniżej kości gnykowej) na impulsy elektryczne. Zapis laryngofonem odbywa się równolegle do nagrania przez mikrofon na drugim kanale taśmy magnetycznej. Taśma kasetowa może być nagrywana tylko jednostronnie.
Analizy akustyczne wykonywane są przed i po obciążeniu głosu. Polega ono na głośnym czytaniu przez osobę badaną przez pół godziny dowolnego tekstu w pomieszczeniu, w którym panuje hałas (szum biały) wynoszący 85 dB SPL.
Analizy akustyczne głosu wykonywano przy użyciu analizatora cyfrowego firmy KAY Model CSL 4300 oraz specjalnego oprogramowania. Analizator dwukanałowy firmy KAY w połączeniu z kartą firmową oraz komputerem IBM PC może służyć do analizy akustycznej, krótko- lub długotrwałej, przebiegu zmian ciśnienia akustycznego w funkcji czasu, w paśmie 0-20 kHz oraz posiada następujące możliwości: 1) zapis przebiegów czasowych analizowanej próbki głosu; 2) analizę sonograficzną i spektrograficzną (trójwymiarową); 3) analizę tonu krtaniowego (widmo, histogram Fo itd.); 4) analizę formantową; 5) analizę intonograficzną; 6) analizę częstotliwościową; 7) analizę zmian częstotliwości Fo, amplitudy i stosunku sygnału użytecznego do szumu z zapisu sonograficznego lub spektrograficznego; 8) analizę wieloparametrową tonu krtaniowego (MDVP).
Istnieje możliwość zapisania przebiegu czasowego analizowanej próbki sygnału w pamięci komputera, a w razie konieczności ponowne przeprowadzenie interesujących nas analiz.
Materiałem lingwistycznym w analizie tonu krtaniowego jest samogłoska „a” nagrana przez laryngofon jako izolowana i z przedłużoną fonacją. Jej część środkowa trwająca 0,6 sekundy była analizowana programem MDVP (Multi Dimensional Voice Program) z możliwością oceny 33 parametrów akustycznych.
Spośród tych parametrów akustycznych, najczęściej wykorzystuje się 17 z nich, tzn. te, które w sposób względny (odsetkowy) określają zmiany danej cechy głosu. Istnieje 7 grup parametrów określających cechy fizyczne głosu, a mianowicie:
1. parametry oceniające względną zmianę częstotliwości (Jitt, RAP, PPQ, sPPQ, vFo),
2. parametry oceniające względną zmianę amplitudy analizowanej próbki głosu (Shimm, APQ, sAPQ, vAm),
3. parametry względnych pomiarów hałasu (NHR, VTI, SPI),
4. parametry pomiarów drżenia (modulacji) głosu (FTRI, ATRI),
5. parametry oceny przerw w głosie (DVB),
6. parametry względnych pomiarów komponentów subharmonicznych (DSH),
7. parametry względnych pomiarów nieregularności głosu (DUV).
Pozostałe parametry są wykorzystywane bardzo rzadko, głównie do opisów przypadków kazuistycznych, gdzie np. u osoby z zaburzonym głosem można porównać częstotliwość Fo przed i po zabiegu, czas rejestrowanej próbki (Tsam), bądź zmiany amplitudy sygnału wyrażone w dB (Shimm), czy też zmiany okresu drgań fałdów głosowych w ms (Jitta). W ocenach różnicowych zmiennych niezależnych, np. w zaburzeniach organicznych i czynnościowych głosu, czy w grupach kobiet i mężczyzn, są one mało przydatne. W ocenach różnicowych zmiennych zależnych, np. przed i po obciążeniu głosu, ich wartość diagnostyczna jest duża. Przykładowy zapis kołowy w postaci rozgwiazdy przedstawiono na rycinie 1.
Ryc. 1. Wieloparametrowa analiza tonu krtaniowego MDVP, przykład głosu z prawidłową emisją.
Diagram przedstawia dyskretne wartości parametrów wszystkich 7 grup cech zaburzeń głosu wg wskazanej kolejności. Pole szare oznacza wartości normalne tych parametrów, pole czarne – wszelkie odchylenia od normy. Im większe jest pole czarne, tym większe są procentowe zmiany analizowanych parametrów. Brak na wykresie któregokolwiek parametru (z tych 7 grup) świadczy o jego nieobecności przy rejestracji lub niemożności obliczenia go przez aparaturę w programie MDVP. Nie jest to jeszcze objaw patologiczny. W górnej prawej części wykresu podawana jest wartość zarejestrowanej częstotliwości podstawowej z próbki głosu Fo.
Materiał badawczy stanowiło 50 osób z zaburzeniami głosu czynnościowymi i organicznymi a także 60 osób z prawidłową emisją głosu, traktowaną w opracowaniu jako grupa odniesienia.
Ocena skuteczności i wartości diagnostycznej analizy MDVP w zaburzeniach głosu
Porównano procentową skuteczność analizowanych parametrów MDVP dla grupy 60 osób z prawidłową emisją głosu oraz dla grupy 50 osób z zaburzeniami głosu czynnościowymi i organicznymi. Wyniki przedstawiono w formie wykresu graficznego na rycinie 2. Do oceny włączono dodatkowo parametr STD (odchylenie standardowe Fo mierzone w Hz). Średnia skuteczność wszystkich zmiennych łącznie dla normy wynosi 90%, dla patologii 58%. Najkorzystniejsze w ocenie patologii są parametry z grupy zaburzeń częstotliwości tonu krtaniowego, takie jak: Jita, Jitt, RAP, PPQ, sPPQ i vFo (powyżej 90%).
Ryc. 2. Ocena skuteczności analizy MDVP w różnicowaniu głosów fizjologicznych i patologicznych.
Różnicowanie głosów patologicznych od głosów normalnych w programie MDVP jest w 98% przypadków statystycznie istotne tylko dla parametrów określających zmiany częstotliwości, takich jak Jitt, RAP, PPQ, sPPQ i vFo.
W obrazie analizy MDVP różnicowania zmian organicznych od czynnościowych, przez bezpośrednie porównanie średnich wyników poszczególnych zmiennych, ostro zarysowane różnice trudno zauważyć. Liczba parametrów, które nie potwierdzają różnicy między wynikami analiz akustycznych w zaburzeniach organicznych i czynnościowych, jest zbyt duża. Uzyskane wyniki obu grup w dużej mierze zazębiają się, nie dając jasnego obrazu z jakimi zaburzeniami mamy do czynienia (4, 6). Jeśli nie można rozgraniczyć zaburzeń czynnościowych i organicznych w analizie bezpośredniego pomiaru parametrów akustycznych, należało zmienić podejście. Cechą zaburzeń czynnościowych, zwłaszcza dysfonii hipo- i hiperfunkcjonalnych jest wzmożona męczliwość głosu po wysiłku. Chcąc sprawdzić, jak zmieniają się parametry akustyczne w analizie MDVP, nie tylko w grupie osób z zaburzeniami czynnościowymi, ale i małymi zmianami organicznymi (mała zmiana obejmuje do 1/4 długości fałdu głosowego), po półgodzinnym obciążeniu głosu, wybrano losowo po 20 osób i wykonano porównawcze analizy przed i po obciążeniu głosu. W zaburzeniach czynnościowych po obciążeniu głosu ulegają pogorszeniu w programie MDVP takie parametry jak: Jita, Jitt, RAP, PPQ, sPPQ, vFo, NHR, DUV, Fhi, STD. W zaburzeniach organicznych po obciążeniu głosu, prawie wszystkie parametry analizy MDVP nie zmieniają się oprócz Flo (częstotliwość dolna tonu krtaniowego), którego wartość wzrasta. Przykłady analiz MDVP przed i po obciążeniu głosu w zaburzeniach czynnościowych i organicznych pokazano na rycinach 3, 4.
Ryc. 3. Analiza MDVP przed i po obciążeniu głosu – zaburzenia organiczne.
Ryc. 4. Analiza MDVP przed i po obciążeniu głosu – zaburzenia czynnościowe.
Opracowana metodyka analizy akustycznej polegająca na dynamicznej ocenie zmian w wartościach analizy MDVP przed i po obciążeniu głosu może być stosowana w badaniu przydatności do zawodów, związanych z dużym wysiłkiem głosowym. Metoda ta, jako diagnostyczna, może stać się skryningową metodą obiektywną we wszystkich zaburzeniach emisji głosu, szczególnie tych, których źródłem jest generator krtaniowy. Oczywiście, dopóki wyniki oceny obiektywnej będą powtarzalne przynajmniej w 99% metoda analizy akustycznej jest metodą pomocniczą w różnicowaniu stanów patologicznych głosu.
Dyskusja
W pracy Schultz-Coulon i Klingholza (5) autorzy podnoszą, że obecne zainteresowania w foniatrii skierowane są na poszukiwanie fizyczno-akustycznych wzorców oceny obiektywno-ilościowej w różnicowaniu zmian organicznych i czynnościowych krtani. Moim zdaniem zastosowanie klasycznej spektrografii i opisu analitycznego szybko zmieniających się w czasie procesów stochastycznych (jakimi są dźwięki potocznej mowy), nie daje pożądanych efektów w różnicowaniu zmian organicznych i czynnościowych. Uważam, że rejestracja przez laryngograf może dawać bardziej powtarzalne wyniki analiz wyekstrahowanych cech tonu krtaniowego niż rejestracja przez mikrofon. Prosta i szybka analiza MDVP samogłoski „a” wypowiadanej w izolacji z przedłużoną fonacją może posłużyć jako wzorzec różnicujący zaburzenie głosu w badaniach masowych osób z grup podwyższonego ryzyka zaburzeń głosu (nauczyciele, śpiewacy, aktorzy, spikerzy itd.). Wykorzystując algorytm różnicowania zmian organicznych od czynnościowych analiza ta może być również stosowana w prewencji raka krtani. Stanowić może także element obiektywnej oceny stanu narządu głosu przy kwalifikacji młodzieży do szkół muzycznych, pedagogicznych czy teatralnych. Dokładne wykonanie określonej metodyki badania, tzn. samego nagrania głosu oraz ściśle określone postępowanie przy analizie, daje w efekcie stosunkowo wiarygodne i powtarzalne informacje o zaburzeniach amplitudy, częstotliwości, o poziomie hałasu, drżeniu głosu, stopniach bezgłosu itd., uwarunkowanych generatorem tonu krtaniowego. Być może w niedalekiej przyszłości analiza akustyczna jeszcze dokładniej (przy użyciu coraz to nowszych technik), będzie mogła różnicować stany normalne i patologiczne głosu i mowy i jako doskonalsze narzędzie diagnostyczne będzie przydatna głównie w wykrywaniu wczesnych stanów patologicznych.
Wnioski końcowe
Różnicowanie głosów patologicznych od głosów z prawidłową emisją w programie MDVP jest w 98% przypadków statystycznie istotne tylko dla parametrów określających zmiany częstotliwości. Analiza akustyczna w programie MDVP, wykonana przed i po obciążeniu głosu, daje znacznie lepsze efekty różnicowania zmian organicznych od czynnościowych, zlokalizowanych w obrębie głośni niż wyniki bezpośrednich pomiarów. Ocena dynamiki zmian w analizie akustycznej głosu zaburzonego posiada dużą wartość rokowniczą i poznawczą. Ocena głosów patologicznych przy pomocy analizy spektrograficznej nie daje tak dobrych wyników różnicowych, jak ilościowa analiza MDVP. Analiza akustyczna głosu, przeprowadzona przy użyciu MDVP może być stosowana w badaniasch masowych i przesiewowych w związku z prewencją, zwłaszcza raka krtani.
Piśmiennictwo
1. Deliyski D.D. et al.: Multi-dimensional acoustic analysis of spasmodic dysphonia. Proc.in the ASHA Convention, 1991, Atlanta, 162. 2. Koike Y., Markel J.: Application of inverse filtering for detecting laryngeal pathology. Ann. Otol. Rhinol. Laryngol., 1975, 84, 117. 3. Pruszewicz A. (red.): Foniatria kliniczna. PZWL, Warszawa 1992, 45. 4. Pruszewicz A. et al.: Variability analysis of Fo parameter in the voice individuals with hearing disturbances. Acta Otolaryngol. (Stockh.), 1993, 11, 450. 5. Schultz-Coulon H.J., Klingholz F.: Objektive und semiobjektive Untersuchungsmethoden der Stimme. Proc. XV UEP Congr., Erlangen 1988, 1. 6. Świdziński P. et al.: Akustyczne badania różnicowe w schorzeniach nowotworowych głośni. Otolaryng. Pol., 1997, 51, supl. 28, 137.
Nowa Medycyna 3/2000
Strona internetowa czasopisma Nowa Medycyna