Potencial discriminatório de biomarcadores na insuficiência respiratória aguda: comparação entre diferentes etiologias e controles

Introdução: A produção da fala requer o funcionamento íntegro e coordenado de diversos subsistemas, incluindo os processos neurolinguístico, respiratório, fonatório, oro-nasal, articulatório, acústico e auditivo (Cagliari, 2009). A Insuficiência respiratória aguda (IRpA) caracteriza-se pelo comprometimento do funcionamento dos componentes do sistema respiratório, levando a uma troca gasosa ineficiente e impactando diretamente no processo de produção da voz e fala. Estudos prévios mostraram que modelos de IA (inteligência artificial) treinados com dados de áudio de pacientes com COVID-19 foram capazes de detectar a IRpA com 96,5% de precisão (Casanova et al., 2021; Gauy et al. 2021). No entanto, ao tentar utilizar o mesmo modelo de IA para detectar a insuficiência respiratória de diversas origens, o aprendizado de máquina não apresentou a mesma eficácia. Contudo, a literatura aponta lacunas quanto à especificidade dos biomarcadores: modelos treinados para detectar IRpA decorrente de COVID-19 apresentam dificuldades de generalização para outras etiologias de insuficiência respiratória (Gauy et al, 2023). Nesse contexto, a presente tese investiga o potencial discriminatório de parâmetros acústicos de voz e fala (biomarcadores), buscando identificar e descrever as assinaturas acústicas que diferenciam a insuficiência respiratória sistêmica da COVID-19 daquela ocasionada por outras condições respiratórias clássicas versus os controles. Objetivo: O objetivo geral da pesquisa é investigar quais parâmetros acústicos de voz e fala poderiam diferenciar áudios de pacientes internados na Unidade de Terapia Intensiva com insuficiência respiratória de diversas origens, pacientes com insuficiência respiratória devido à COVID-19 e seus controles. Adicionalmente, buscou-se verificar quais parâmetros acústicos poderiam ser preditores dos grupos. Hipotetizou-se que haveria diferença nos parâmetros acústicos de voz e da fala entre indivíduos com insuficiência respiratória (independente da origem) e dos controles; o COVID-19, sendo considerado uma patologia sistêmica, ocasionaria diferença nos parâmetros de voz e fala em relação aos indivíduos com insuficiência respiratória de diversas origens e que parâmetros acústicos de voz e fala poderiam ser utilizados como biomarcadores discriminatórios da origem das IRpA e também dos controles Método: Trata-se de um estudo transversal com complementação retrospectiva e quantitativo. Foram selecionados do Banco de dados do Projeto SPIRA (Sistema de Detecção Precoce da Insuficiência Respiratória por Análise de Áudio) dados de 190 participantes, sendo 42 pacientes com IRpA de diversas origens,100 pacientes com IRpA devido à COVID-19 e 48 indivíduos controle. As amostras de fala e voz foram coletadas por meio do gravador de celular. As análises acústicas foram realizadas com o software PRAAT, considerando os seguintes parâmetros: número de pausas, duração média das pausas, duração total do enunciado, frequência fundamental (F0) e desvio padrão da frequência fundamental (SDF0). Resultados: Na análise comparativa entre os grupos de pacientes com COVID-19, IRpA e controle foi utilizado o teste não-paramétrico ANOVA Kruskal-Wallis, e caso houvesse significância estatística eram realizadas comparações múltiplas. Adotou-se um valor de p ≤ 0.05. Pelo fato dos parâmetros acústicos relativos à voz (F0 e SDF0) variarem em função do sexo, esta análise foi feita separadamente. De modo geral, os grupos clínicos (COVID-19 e IRpA geral) diferiram do grupo controle quanto ao SDF0 e aos parâmetros temporais da fala (duração total do enunciado, número de pausas e duração média das pausas). Em contrapartida, a F0 apresentou potencial discriminatório mais limitado, distinguindo apenas o grupo COVID-19 do grupo controle no sexo masculino. O SDF0 diferenciou todos os grupos no sexo masculino, enquanto, no sexo feminino, distinguiu os grupos clínicos do grupo controle, sem diferenças entre COVID-19 e IRpA geral. Já os parâmetros temporais da fala diferenciaram os grupos clínicos do grupo controle, mas não distinguiram os grupos COVID-19 e IRpA geral entre si. Foi realizada uma regressão logística multinomial para investigar quais parâmetros acústicos predizem os grupos COVID e IRpA, tendo o grupo Controle como categoria de referência. Os testes de razão de verossimilhança indicaram que os parâmetros SDF0, número de pausas e duração total do enunciado contribuíram significativamente para a discriminação entre os grupos. Os parâmetros F0 e duração média das pausas não apresentaram efeito significativo no modelo multinomial (p > 0,05). Conclusão: Conclui-se que a insuficiência respiratória aguda altera a dinâmica da produção da voz e da fala, independentemente de sua etiologia, uma vez que os grupos clínicos diferiram sistematicamente do grupo controle em medidas relacionadas à variabilidade da frequência fundamental e aos parâmetros temporais da fala. Entre os parâmetros analisados, o SDF0, o número de pausas e a duração total do enunciado mostraram potencial como biomarcadores para o rastreio da insuficiência respiratória aguda. Em relação à diferenciação entre etiologias, observou-se capacidade discriminatória mais restrita. O SDF0 foi o único parâmetro capaz de distinguir pacientes com COVID-19 daqueles com IRpA de outras origens no sexo masculino, sugerindo a possível existência de uma assinatura acústica específica associada à COVID-19. Contudo, a ausência de diferenças consistentes nos demais parâmetros e a assimetria amostral entre os grupos recomendam cautela na interpretação desse achado. Portanto, os resultados indicam que os biomarcadores acústicos analisados são mais robustos para a identificação da presença de insuficiência respiratória aguda do que para a discriminação de sua etiologia.

Resumo (inglês)

Introduction: Speech production requires the intact and coordinated functioning of several subsystems, including neurolinguistic, respiratory, phonatory, oronasal, articulatory, acoustic, and auditory processes (Cagliari, 2009). Acute respiratory failure (ARF) is characterized by impaired functioning of the components of the respiratory system, resulting in inefficient gas exchange and directly affecting the processes of voice and speech production. Previous studies have shown that artificial intelligence (AI) models trained on audio data from patients with COVID-19 were able to detect ARF with 96.5% accuracy (Casanova et al., 2021; Gauy et al., 2021). However, when the same AI model was used to detect respiratory failure of different etiologies, machine learning did not demonstrate the same level of effectiveness. Nevertheless, the literature indicates gaps regarding the specificity of these biomarkers: models trained to detect COVID-19-related ARF have shown difficulties in generalizing to other etiologies of respiratory failure (Gauy et al., 2023). In this context, the present thesis investigates the discriminatory potential of acoustic voice and speech parameters (biomarkers), seeking to identify and characterize acoustic signatures that differentiate COVID-19-related systemic respiratory failure from respiratory failure caused by other classical respiratory conditions and from control participants. Objective: The overall objective of this study was to investigate which acoustic voice and speech parameters could differentiate audio recordings from patients admitted to the intensive care unit (ICU) with respiratory failure of different etiologies, patients with COVID-19-related respiratory failure, and control participants. Additionally, we sought to determine which acoustic parameters could predict group membership. We hypothesized that there would be differences in acoustic voice and speech parameters between individuals with respiratory failure, regardless of etiology, and control participants; that COVID-19, as a systemic disease, would result in differences in voice and speech parameters compared with individuals with respiratory failure of different etiologies; and that acoustic voice and speech parameters could be used as discriminatory biomarkers to differentiate the etiology of ARF and distinguish individuals with ARF from controls. Methods: This was a cross-sectional, quantitative study with a retrospective component. Data from 190 participants were selected from the database of the SPIRA Project (Early Detection System for Respiratory Failure Through Audio Analysis), including 42 patients with ARF of different etiologies, 100 patients with COVID-19-related ARF, and 48 control participants. Speech and voice samples were collected using a mobile phone recorder. Acoustic analyses were performed using PRAAT software, considering the following parameters: number of pauses, mean pause duration, total utterance duration, fundamental frequency (F0), and standard deviation of fundamental frequency (SDF0). Results: Comparative analyses among the COVID-19, ARF, and control groups were performed using the nonparametric Kruskal–Wallis ANOVA test, followed by multiple comparisons when statistical significance was observed. A significance level of p ≤ 0.05 was adopted. Because the voice-related acoustic parameters (F0 and SDF0) vary according to sex, these analyses were performed separately for males and females. Overall, the clinical groups (COVID-19 and general ARF) differed from the control group in SDF0 and in temporal speech parameters (total utterance duration, number of pauses, and mean pause duration). In contrast, F0 showed more limited discriminatory potential, distinguishing only the COVID-19 group from the control group among males. SDF0 differentiated all groups among males, whereas among females, it differentiated the clinical groups from the control group, with no differences between the COVID-19 and general ARF groups. The temporal speech parameters differentiated the clinical groups from the control group but did not distinguish the COVID-19 and general ARF groups from each other. A multinomial logistic regression analysis was performed to investigate which acoustic parameters predicted membership in the COVID-19 and ARF groups, with the control group as the reference category. Likelihood-ratio tests indicated that SDF0, number of pauses, and total utterance duration contributed significantly to discrimination among the groups. F0 and mean pause duration did not show significant effects in the multinomial model (p > 0.05). Conclusion: Acute respiratory failure alters the dynamics of voice and speech production regardless of its etiology, as the clinical groups consistently differed from the control group in measures related to fundamental frequency variability and temporal speech parameters. Among the parameters analyzed, SDF0, number of pauses, and total utterance duration showed potential as biomarkers for screening for acute respiratory failure. Regarding differentiation among etiologies, discriminatory capacity was more limited. SDF0 was the only parameter capable of distinguishing patients with COVID-19 from those with ARF of other etiologies among males, suggesting the possible existence of a specific acoustic signature associated with COVID-19. However, the absence of consistent differences in the other parameters and the imbalance in sample sizes among the groups warrant caution in interpreting this finding. Therefore, the results indicate that the acoustic biomarkers analyzed are more robust for identifying the presence of acute respiratory failure than for discriminating its etiology.

Palavras-chave

Insuficiência respiratória Voz Fala Bioacústica COVID-19 (Doença)

Idioma

Português

Citação

ALMEIDA, Tatiane Cristina de. Potencial discriminatório de biomarcadores na insuficiência respiratória aguda: comparação entre diferentes etiologias e controles. 2026. Tese (Doutorado em Ciências da Saúde e Comunicação Humana) – Faculdade de Filosofia e Ciências, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Marília, 2026.