[論文レビュー] EchoWear: Smartwatch Technology for Voice and Speech Treatments of Patients with Parkinson's Disease

Harishchandra Dubey, Jon C. Goldberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Voice and Speech Disorders参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

EchoWear は、スマートウォッチのマイクを用いて、臨床用高精度音声機器と同等の音声データを収集することで、パーキンソン病（PD）患者の音声および発声運動の遠隔モニタリングを可能にするスマートウォッチベースのシステムである。本システムは、騒音環境下でも騒音に強く、音声の強さや基本周波数（F0）といった重要な音声指標を高い信頼性で測定できることを示しており、臨床的でない環境下でのテレモニタリングや療法への服従性向上に貢献する。

ABSTRACT

About 90 percent of people with Parkinson's disease (PD) experience decreased functional communication due to the presence of voice and speech disorders associated with dysarthria that can be characterized by monotony of pitch (or fundamental frequency), reduced loudness, irregular rate of speech, imprecise consonants, and changes in voice quality. Speech-language pathologists (SLPs) work with patients with PD to improve speech intelligibility using various intensive in-clinic speech treatments. SLPs also prescribe home exercises to enhance generalization of speech strategies outside of the treatment room. Even though speech therapies are found to be highly effective in improving vocal loudness and speech quality, patients with PD find it difficult to follow the prescribed exercise regimes outside the clinic and to continue exercises once the treatment is completed. SLPs need techniques to monitor compliance and accuracy of their patients exercises at home and in ecologically valid communication situations. We have designed EchoWear, a smartwatch-based system, to remotely monitor speech and voice exercises as prescribed by SLPs. We conducted a study of 6 individuals; three with PD and three healthy controls. To assess the performance of EchoWear technology compared with high quality audio equipment obtained in a speech laboratory. Our preliminary analysis shows promising outcomes for using EchoWear in speech therapies for people with PD. Keywords: Dysarthria; knowledge-based speech processing; Parkinson's disease; smartwatch; speech therapy; wearable system.

研究の動機と目的

• パーキンソン病（PD）患者における、自宅で行う音声療法の運動への服従性が低いという課題に対処すること。
• 言語聴覚士（SLPs）が臨床的でない環境下でも患者の治療への適合状況と音声の質を評価できる、ウェアラブルで遠隔監視可能なソリューションを開発すること。
• 音声療法の臨床的基準に準拠した高精度な音声記録装置と比較して、スマートウォッチで記録された音声データの正確性を検証すること。
• 生態的で現実的な状況下での音声運動の即時監視を可能にすることで、音声療法の長期的効果の定着を支援すること。

提案手法

• パーキンソン病患者および健常対照群の音声運動を記録するために、単一チャネルマイクを備えたスマートウォッチベースのシステム（EchoWear）を導入した。
• 制御された環境下で、スマートウォッチ（SW）と二チャネル臨床マイク（BL）の両方を用いて音声データを収集した。
• 基本周波数（F0）推定にSWIPEアルゴリズムを適用し、ピッチ追跡の正確性を向上させるためにERB（等価矩形帯域）スケールを用いた。
• 声帯振動のない無声音声セグメントを除いて、音声信号からの平均F0および音声の強さを計算した。
• 参加者ごとにSWとBLのデータを比較し、主な音声品質指標における相関性と乖離度を評価した。
• 統計的分析を用いて、Gold-standard臨床記録と比較した場合のEchoWearデータの信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートウォッチベースのシステムは、パーキンソン病患者の高精度な臨床用音声記録装置と同等の音声データを信頼性高く収集できるか？
• RQ2 従来の音声記録法と比較して、スマートウォッチは基本周波数（F0）および音声の強さをどの程度正確に測定できるか？
• RQ3 EchoWearは、生態的で現実的な環境下で音声療法運動の遠隔モニタリングをどの程度サポートできるか？
• RQ4 スマートウォッチのデータは、PDの病状進行および療法効果の長期的追跡に十分な一貫性を保っているか？

主な発見

• EchoWearは、臨床用高精度音声機器と比較して平均基本周波数（F0）の測定において高い相関を示し、スマートウォッチと基準記録との間で最大9.35％の偏差にとどまった。
• スマートウォッチで得られた音声の強さおよびF0の測定値は、二チャネル臨床マイクの測定値と同等であり、データの信頼性が非常に高いことが示された。
• ERBスケール変換を施したSWIPEアルゴリズムにより、低振幅の無声音声セグメントでさえも正確なF0推定が可能であった。
• 本システムは、平均F0計算から無声音声を適切に除外しており、関連性があり意味のある指標を確保した。
• モノラルチャネル音声出力であっても、スマートウォッチの性能は二チャネル臨床システムと比較して著しく低下せず、実世界環境での利用可能性が裏付けられた。
• 本研究の結果は、消費者向けスマートウォッチを用いたパーキンソン病患者の音声療法のテレモニタリングの実現可能性を支持しており、遠隔での言語聴覚士によるフォローアップを可能にする。