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Enregistrement W4402967779 · doi:10.1101/2024.09.29.24314580

Explainable Artificial Intelligence to Diagnose Early Parkinson’s Disease via Voice Analysis

2024· preprint· en· W4402967779 sur OpenAlexaff
Matthew Shen, Pouria Mortezaagha, Arya Rahgozar

Notice bibliographique

RevuemedRxiv · 2024
Typepreprint
Langueen
DomaineMedicine
ThématiqueVoice and Speech Disorders
Établissements canadiensOttawa HospitalUniversity of Ottawa
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésVoice analysisParkinson's diseaseSpeech recognitionComputer scienceArtificial intelligenceDiseasePsychologyAudiologyMedicinePathology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

A bstract Background Parkinson’s disease (PD) is a progressive neurodegenerative disorder that affects motor control, leading to symptoms such as tremors or impaired balance. Early diagnosis of PD is crucial for effective treatment, yet traditional diagnostic models are often costly and lengthy. This study explores the use of Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML) techniques, particularly voice analysis, to identify early signs of PD and make a precise diagnosis. Objectives This paper aims to create an automatic detection and prediction of PD binary classification using vocal biomarkers. We will also use explainability to identify latent and important patterns in the input data in retrospect to the target to inform the definition of Parkinson’s through voice characteristics. Finally, a probability generation will be generated to create a scoring system of a patient’s odds of PD as a spectrum. Methods We utilized a dataset comprising 81 voice recordings from both healthy control (HC) and PD patients, applying a hybrid AI model combining Convolutional Neural Networks (CNN), Recurrent Neural Networks (RNN), Multiple Kernel Learning (MKL), and Multilayer Perceptron (MLP). The model’s architecture was designed to extract and analyze acoustic features such as Mel-Frequency Cepstral Coefficients (MFCCs), local jitter, and local shimmer, which are all indicative of PD-related voice impairments. Once features are extracted, the AI model will generate prediction labels for HC or PD files. Then, a scoring system will assign a number ranging from 0-1 to each file, indicating the stage of PD development. Results Our champion model yielded the following results: diagnostic accuracy of 91.11%, recall of 92.50%, precision of 89.84%, an F1 score of 0.9113, and an area under curve (AUC) of 0.9125. Furthermore, the use of SHapley Additive exPlanations (SHAP) provided detailed insight into the model’s decision-making process, highlighting the most influential features contributing to a PD diagnosis. The outcomes of the implemented scoring system demonstrate a distinct separation in the probability assessments for PD across the 81 analyzed audio samples, validating our scoring system by confirming that the vocal biomarkers in the audio files accurately correspond with their assigned scores. Conclusion This study highlights the efficacy of AI, particularly a hybrid model combining CNN, RNN, MKL, and Deep Learning in diagnosing early PD through voice analysis. The model demonstrated a robust ability to distinguish between HC and PD patients with significant accuracy by leveraging key vocal biomarkers such as MFCCs, jitter, and shimmer.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,006
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,003
Score d'incertitude au seuil0,007

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,006
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,001
Bibliométrie0,0020,001
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0000,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,032
Tête enseignante GPT0,312
Écart entre enseignants0,280 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations4
Publié2024
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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