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咳嗽声就能诊断新冠肺炎无症状感染者 准确率达到100%

2020-11-06 11:42:03来源：雷锋网  

有数据显示，世界50%新冠(COVID-19)病例由无症状感染者传染。

无发烧、乏力、头晕等明显特征的无症状感染者，已在不知不觉中成为新冠病毒传播和复发的最大威胁。

近日，麻省理工学院(MIT)研究团队声称其利用AI开发了一种无症状感染检测新方法。有意思的是，该方法利用的是人的生物特征——咳嗽声。

他们发现，无症状感染者发出的咳嗽声与健康人存在不同，其中细微的差别人耳很难分辨，但AI可以。

在最近发表在《IEEE医学与生物工程学杂志》上的一篇论文中，MIT研究人员明确表示，他们已经开发出一种能够识别COVID-19咳嗽声的AI。

这种AI算法已通过迄今为止最大的咳嗽数据集测试，无症状感染者的诊断准确率可达到100%。

目前，MIT研究团队已经与一家企业展开合作，计划将该AI算法整合到手机应用程序中。项目负责人布莱恩·苏比拉纳(Brian Subirana)表示：

如果每个人在去教室，工厂或餐厅之前都使用该AI诊断工具，将会有效减少新冠大流行的传播。”

据悉，该项研究成果也同步提交到了FDA和其他监管机构，如获得批准，COVID-19咳嗽应用程序将免费用于大规模人群筛查。

利用“咳嗽声”诊断疾病

人耳能够分辨出五到十种不同的咳嗽特征，但通过机器学习和信号处理，AI能够识别300多种。

在医学领域，AI识别咳嗽声已用于多项疾病检测任务，比如AI检测肺炎、哮喘或者神经肌肉疾病等。

如Subirana所说，“说话和咳嗽的声音都受到声带和周围器官的影响。 这也意味着，我们可以从声音中获取有关体内器官的信息，而AI恰好可以做到这一点。”

因此，在疫情爆发之前，MIT研究团队已经在尝试利用AI辨“音”来诊断阿尔茨海默症(AD)早期的患者。

需要注意的是，正是通过这项研究，研究人员发现了识别COVID-19无症状感染者的可能性，并提供了AI算法支持。

阿尔茨海默病是一种神经系统退行性疾病，不仅与记忆力衰退有关，还与声带减弱等神经肌肉退化有关。因此，研究人员开发了一种通用的机器学习算法(或称为ResNet50的神经网络)，来区分与不同声带强度所产生的声音。

具体来说，他们训练了三个神经网络模型。第一个神经网络代表一个人声带的强弱，利用有声读物数据集(含1000h语音)进行训练;第二神经网络用来区分言语中的情绪状态。

据了解，AD患者的神经功能衰退较一般人更为普遍，经常会表现出沮丧、悲伤等负面情绪。因此，研究人员利用演员表达不同情绪的大型语音数据集，开发了情绪语音分类器。第三个神经网络在自建的咳嗽数据集上训练，用来辨别肺和呼吸功能的变化。

最后将三种模型结合起来，形成了一个用于检测肌肉退化的AI框架。研究人员经过检测发现，基于声带强度、情绪、肺和呼吸功能等生物特征，该AI能够准确识别出AD患者。

基于此，当冠状大流行开始蔓延后，Subirana开始思考是否可以利用AI诊断COVID-19，因为已经有证据表明，新冠感染患者会发生一些类似的神经系统症状，比如，暂时性神经肌肉损伤。

后来，Subirana在COVID-19咳嗽数据集上训练了阿尔茨海默氏病AI模型，结果取得了惊人的发现。该AI模型不仅可以高精度识别出新冠感染患者，而且无症状感染者的准确率更高。

无症状感染者识别率100%

AI模型和数据集是决定疾病诊断准确率的两项关键指标。

今年4月，MIT研究人员建立了一个公开咳嗽数据收集网站，允许所有人通过网络浏览器、手机或者笔记本电脑等设备自愿提交咳嗽录音。

截止测试前，该网站收集了超过7万个录音，每段录音中有几次咳嗽，约有20万份咳嗽音频样本。其中，2500多个样本是由已经确诊患者提交的，包括那些无症状感染者。

Subirana称：“在医疗领域，这是迄今为止最大的咳嗽数据集。”

实验中，研究人员使用2500个感染患者的音频样本，以及另外2500个随机样本，对AI模型进行训练。然后利用其余的1000张录音作为检测数据，来查看它是否能准确地辨别出COVID-19患者和健康人的咳嗽。

在模型方面，采用的仍然是阿尔茨海默氏症AI模型，并且同样以声带强度、情绪、肺和呼吸四项生物特征作为诊断COVID-19感染患者的标准。

在该模型内部，咳嗽音频通过梅尔频率倒谱系数(Mel Frequency Cepstrum Coefficient)进行转换，并输入到基于卷积神经网络(CNN)的AI架构中，如上文所说，该AI架构由生物特征层和3个并行的ResNet50神经网络构成。最终会输出二进制形式的预筛查诊断结果。

基于以上两个方面，研究人员对其进行了测试，结果发现AI模型识别COVID-19患者的准确率为98.5%，无症状感染者的准确率为100%。

论文地址：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9208795

这一结果表明，COVID-19的患者即时没有明显症状，其声音也会发生明显的变化。同时，该AI模型可以通过这一变化有效地识别出无症状感染者。

据了解，MIT的团队已经在考虑与相关企业合作将该AI模型整合到手机应用程序中，以便人们可以方便地对疾病风险进行初步评估。

与此同时，研究人员也开始与世界各地的多家医院合作，以收集更大，更多样化的咳嗽记录集，这将有助于训练和增强AI模型的准确性。

不过，需要强调的是，该AI模型的优势不在于检测有症状的新冠患者。

这一点Subirana在论文中也明确强调。他说，不管他们的症状是由COVID-19还是其他症状(如流感或哮喘)引起的。该工具的优势在于它能够分辨无症状感染者的咳嗽和健康人的咳嗽。

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