Parkinson vai COVID-19: Ääni määrittää taudin

Samalla tavalla kuin ääni paljastaa mielentilan, se voi myös kertoa terveydentilasta. Puhelimen tekoälyn annetaan tulevaisuudessa analysoida ääninäytteistä sairauden merkkejä.

Samalla tavalla kuin ääni paljastaa mielentilan, se voi myös kertoa terveydentilasta. Puhelimen tekoälyn annetaan tulevaisuudessa analysoida ääninäytteistä sairauden merkkejä.

Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

Olosi tuntuu huteralta, mutta ennen kuin lähdet lääkäriin, tartu puhelimeen ja sano: ”Hei, Siri. Mikä minua vaivaa?” Hetken kuluttua henkilökohtainen avustaja kertoo, oletko saanut COVID-19-tartunnan, masentunut vai sairastunut Parkinsonin tautiin.

Äänesi paljastaa, mikä on vialla, ja tätä mahdollisuutta lääkärit ovat hyödyntäneet jo pitkään.

Esimerkiksi kaksisuuntaisen mielialahäiriön diagnoosi edellyttää, että potilas puhuu maniajakson aikana paljon ja nopeasti. Sen sijaan käheä ja honottava ääni on selvä nielutulehduksen tai flunssan oire.

Äänellä on kuitenkin paljon vivahteita, joita sairastuminen muuttaa, ja usein muutokset ovat niin pieniä, ettei lääkäri pysty erottamaan niitä.

Siksi avuksi on otettu kehittyneet algoritmit, jotka saavat tekoälyn analysoimaan potilaan ääntä ja havaitsemaan äänenkäytössä ja -korkeudessa sekä puhenopeudessa ja sananvalinnassa esiintyviä poikkeuksellisia piirteitä.

Israelilaiset tutkijat ovat kehittämässä puhelinsovellusta, joka kuuntelemalla sydänpotilaan ääntä arvioi, onko hänen tilansa muuttunut niin kriittiseksi, että hän tarvitsee pikaista hoitoa.

© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

Potilas vastaa kysymyksiin

Potilas avaa sovelluksen, joka alkaa esittää satunnaisia kysymyksiä. Sovellus tallentaa vastaukset ja lopettaa kyselemisen, kun puhetta on tallennettu 20 sekuntia – riippumatta siitä, mitä on sanottu.

© Elad Maor et al./JAHA

Äänen piirteistä piirtyy kuva

Sovellus erittelee äänentuoton 223 ominaispiirteen osalta. Niihin kuuluvat esimerkiksi äänenkorkeuden ja -voimakkuuden vaihtelu sekä äänen värinä. Piirteet taulukoidaan värikoodeina.

© Shutterstock/Ken Ikeda Madsen

Sovellus määrittää taudin

Tekoäly vertaa potilaan ääntä esittävää taulukkoa jo oireidensa perusteella diagnoosin saaneiden henkilöiden vastaaviin taulukoihin. Vertailumenetelmä tuo esiin parhaan vastaavuuden.

Kun vertailuaineisto koostuu tuhansien terveiden ja sairaiden henkilöiden ääniprofiileista, algoritmit voivat oppia erittelemään eroja ja tunnistamaan juuri niitä äänen piirteitä, jotka paljastavat, kärsiikö potilas esimerkiksi sydäntaudista, migreenistä vai itsetuhoisuudesta.

Tekoäly on kuulolla

Jo vuonna 2017 Amazon haki patenttia tekniikalle, joka äänianalyysillä auttaa verkkokauppayhtiön henkilökohtaista avustajaa, Alexaa, tunnistamaan, onko henkilön kurkku kipeä.

Patenttihakemuksesta käy ilmi, että Amazon voi käyttää tietoa yksilöllisten lääkemainosten esittämiseen ja lääkkeiden pikatoimitusten tarjoamiseen. Onneksi muutkin kuin taloudelliset vaikuttimet innostavat tutkimaan äänen ja terveyden välistä yhteyttä.

Hätänumeroon 112 soitettaessa ollaan usein paniikissa ja sekaisin. Siksi hätäkeskuspäivystäjän voi olla vaikea ymmärtää, mistä on kysymys ja kuinka vakava tilanne todellisuudessa on. Tanskalainen startup-yritys Corti kehittää ratkaisuksi algoritmia, joka kuuntelee hätäpuheluja.

Pystyttiin 99 prosentin varmuudella toteamaan, sairastaako henkilö Parkinsonin tautia, pelkästään siitä, kuinka hän sanoi ”aah”.

Hälytysjärjestelmän tekoäly etsii ajantasaisesti ilmaisutavoista piirteitä, jotka vihjaavat sydämenpysähdyksestä, ja informoivat ensihoitoa, jos niitä ilmenee.

Ihminen ja kone voivat yhdessä tunnistaa 95 prosenttia niistä puheluista, joissa on kyse sydämenpysähdyksestä. Ilman tekoälyn apua hätäkeskuspäivystäjien onnistumisprosentti on 73.

Äännähdys paljastaa Parkinsonin

Kun Cortin sovellus kuulostelee sananvalintoja ja niiden heijastamia mielentiloja, toiset järjestelmät kuuntelevat itse ääntä eivätkä ole periaatteessa lainkaan kiinnostuneita puheen sisällöstä.

Monet sairaudet vaikuttavat nimittäin jollain tavalla puhekykyyn. Nuhakuume voi tulehduttaa äänihuulet ja käheyttää äänen, ja vilunväreet saattavat vapisuttaa huulia ja aiheuttaa epäselvää ääntämistä. Samalla lailla Parkinsonin tauti muuttaa puhekykyä.

Parkinson-potilaan liikkeet ovat jäykempiä, hitaampia ja nykivämpiä – myös kielen osalta. Puhe hidastuu, ja ääni vaimenee ja värisee. Usein potilas alkaa ääntää äänteitä ja niiden yhtymiä oudosti.

Koska laboratoriokokeista, kuten verinäytteistä, tai aivokuvauksista ei ole mahdollista saada täyttä varmuutta Parkinsonin taudin puhkeamisesta, on alettu kehittää äänianalyysiin perustuvaa diagnoosimenetelmää.

Jo vuonna 2012 englantilaisen Oxfordin yliopiston tutkijat analysoivat kymmenen terveen koehenkilön ja 33 Parkinson-potilaan aah-äännähdyksiä.

Puheentunnistusta ja äänianalyysiä varten suunnitelluilla tietokoneohjelmilla saatiin esiin peräti 132 piirrettä tavasta, jolla ”aah” normaalisti lausutaan. Kun kaikkien 43 koehenkilön äännähdykset eriteltiin näiden 132 vivahteen osalta, kävi ilmi, että Parkinson-potilaiden ja terveiden ääntämistavassa oli oikeastaan vain kymmenen tunnusmerkillistä eroa.

Tekoäly pelastaa henkiä

Lääkärin pitää analysoida paljon terveystietoja ja kuvantamistutkimusten tuloksia määrittäessään tautia. Tietotekniikka ja tekoäly voivat auttaa lääkäriä päätymään nopeammin oikeaan diagnoosiin.

Erot olivat kuitenkin niin selviä, että pystyttiin 99 prosentin varmuudella toteamaan, sairastaako henkilö Parkinsonin tautia, pelkästään siitä, kuinka hän sanoi ”aah”.

Alzheimer kangistaa kielen

Toinen yleinen aivosairaus, Alzheimerin tauti, erottuu myös puheesta. Potilaan on vaikea löytää oikeita ilmauksia ja puhua sujuvasti. Lisäksi kielenkäyttölle on ominaista esimerkiksi nimien korvaaminen hän-pronominilla ja yläkäsitteiden, kuten talo, suosiminen alakäsitteiden, kuten pari- tai rivitalo, sijasta.

Kanadalaisen Toronton yliopiston vuonna 2016 tekemään tutkimukseen osallistui 167 Alzheimer-potilasta ja 97 tervettä verrokkia. Koehenkilöitä pyydettiin kuvailemaan omin sanoin 45 sekunnin ajan yksityiskohtia piirroksesta, joka esitti lapsia pihistämässä keksejä keittiönkaapista äidin tiskatessa.

Tutkijat erittelivät koehenkilöiden kuvaukset 400 tekijän osalta. Niihin kuuluivat esimerkiksi äiti-sanan käyttö, verbien määrä, sanojen keskimääräinen pituus ja puhenopeus.

Tietokone muuttaa tavallisen äänitallenteen diagrammiksi, jotta tekoälyllä on paremmat mahdollisuudet analysoida ja vertailla yksityiskohtia. Tietokoneanalyysi erottaa honottavan tai takeltelevan puheen tai puutteellisen kielen normaalista puheesta ja kielestä.

© Zhaocheng Huang/UNSW/Ken Ikeda Madsen

Terveen ääni on eloisampi

Äänen ja kielen vivahteikkuus kuuluu selvästi terveen ihmisen puheeseen. Normaali ilmaisukyky havainnollistuu ilmeikkäänä äänen- ja kielenkäyttönä ja täsmällisinä sananvalintoina. Tätä taustaa vasten tarkastellaan sairaan tai sairastumassa olevan henkilön puhetta.

© Zhaocheng Huang/UNSW/Ken Ikeda Madsen

Masentunut puhuu yksitoikkoisesti

Masennuksesta kärsivän henkilön puheelle on ominaista monotonisuus, joka tarkoittaa pienempää värähdysten määrää tietyssä ajassa eli taajuutta. Värikoodit ilmaisevat äänen voimakkuutta. Desibelimäärä kasvaa sitä mukaa kuin väri tummuu.

Tietokoneen annettiin verrata, kuinka terveiden ja sairaiden puhe vastasi eri kriteereitä. Tietokone käytti hyväksi koneoppimista etsiessään tyypillisiä piirteitä tai piirreyhdistelmiä koehenkilöryhmien eroja heijastavasta tutkimusaineistosta.

Kun oppimisprosessi päättyi, tekoäly kykeni 82 prosentin varmuudella toteamaan, sairastaako henkilö Alzheimerin tautia, pelkästään havaitsemalla 35 kaikkiaan 400 tekijästä. Vuoden 2016 jälkeen algoritmeja on parannettu, ja nykyään tekoäly pystyy diagnosoimaan Alzheimerin taudin ainakin yhdeksässä tapauksessa kymmenestä.

COVID-19 paljastuu yskästä

Siitä asti, kun koronapandemia alkoi vuoden 2020 alussa, on kehitetty kilpaa paitsi rokotteita myös puhelinsovelluksia, jotka voivat tunnistaa COVID-19-tartunnan joko puheesta tai yskästä.

Kilpailijoiden joukossa on yhdysvaltalainen Massachusettsin teknillinen korkeakoulu (MIT). Siellä esiteltiin syyskuussa 2020 järjestelmä, joka oli oppinut erottamaan mikrofonin avulla yskäisyistä, sairastaako henkilö COVID-19:ää vai ei.

🎬 Koneoppiminen jäljittää syöpää

Tekoälyn hermoverkot olivat kuunnelleet 4 256 henkilön yskimistä harjaantuakseen erottamaan, onko yskijä terve vai sairas. Kun järjestelmä sitten tutustutettiin 1 064 uuden henkilön yskintään, hermoverkot pystyivät hetkessä esittämään oikean diagnoosin 97 prosentissa tapauksista.

Yskätesti on siis melkein yhtä luotettava kuin PCR-testi, jota eri maiden viranomaiset käyttävät tätä nykyä koronatartuntojen jäljittämiseen. Kun PCR-testin tekeminen maksaa lähemmäs 30 euroa, vaatii käynnin vastaanotolla ja tulos valmistuu yleensä 1–2 vuorokaudessa, yskätestin voi tehdä ilman kuluja ja odotusaikoja kotona.

MIT viimeistelee vielä sovellustaan, jotta se on niin luotettava, että viranomaiset voivat hyväksyä sen. Tavoitteena on saada se nopeasti käyttöön eri puolilla maailmaa.

Muitakin sovelluksia on kehitteillä, joten on mahdollista, että ennen pitkää puhelimen henkilökohtainen avustaja osaa tosiaan sanoa, mikä kysyjää vaivaa.