筋萎縮性側索硬化症における延髄機能障害の包括的評価（ALS）のためのプロトコル

Summary

演説をサポートしている生理学的メカニズムの客観的な評価は、ALSを持つ人の疾患の発症と進行を監視し、臨床試験で治療効果を定量化するために必要とされる。このビデオでは、我々は臨床的集団における音声、モータの性能を定量化するための包括的な、インストルメンテーションベースのプロトコルを提示する。

Abstract

延髄機能障害を評価するための改良された方法は、音声サブシステム間で病気の進行を予測するため、ALSにおける延髄機能障害の診断を​​促進するため、および現在進行中の実験的治療の試験のための敏感なアウトカム指標の重要な必要性に対処するために必要です。このニーズに対応するため、我々は客観的な指標が得られることが包括的な計装ベースの評価に基づいて100人に延髄機能障害の長手方向のプロファイルを取得している。音声関連の行動を定量化するためのインストゥルメンタルなアプローチを使用すると、主に音声の評価¹の主観的、聴覚、知覚の形式に依存してきた分野で非常に重要です。私たちの評価のプロトコルは、音声（喉頭）呼吸、発声を含むサブシステム、、resonatory（咽）、及び調音のすべてにわたってパフォーマンスを測定します。調音のサブシステムは、顔のコンポーネント（顎や唇）、そして舌に分かれています。先行研究では、各音声サブシステムがそのようなALSなどの神経疾患に異なる応答することを示唆している。現在のプロトコルは、独立して可能な限り、他のサブシステムから各音声サブシステムのパフォーマンスをテストするために設計されています。音声サブシステムは、音声性能に対する、よりグローバルな変化の文脈で評価されます。これらの音声システムレベルの変数は、発話の発話速度と明瞭さが含まれています。

プロトコルは、特殊な計測機器、および商用およびカスタムソフトウェアが必要です。呼吸、発声、そしてresonatoryサブシステムは、圧力流量（空気力学）と音響の方法を用いて評価されます。調音のサブシステムは、3Dモーショントラッキング技術を用いて評価する。延髄機能障害を定量化するために使用されている客観的な措置は、音声の文学に設立され、疾患の進行と球機能の変化への感度を示している。アセスメントの結果は、各参加者のための包括的、全体でサブシステムのパフォーマンスのプロファイルです。健常対照から得られた同じ措置と比較してプロファイルが、、診断目的のために使用されます。現在、我々は、ALSの診断および疾患の進行速度を予測するためのこれらの施策の感度と特異性をテストしています。長期的には、この作品から派生した延髄ALSのより洗練されたendophenotypeは、ALSの遺伝子座を同定し、全体として疾患の診断と治療の特異性を改善するための今後の取り組みを強化することが期待される。このビデオで示されている客観的な評価は、脳卒中、外傷性脳損傷、多発性硬化症、およびパーキンソン病に関連するものを含む音声の運動障害の広い範囲を、評価するために使用されることがあります。

Protocol

I.サブシステムの分析

1。スピーチのための呼吸器サブシステム/呼吸

呼吸器サブシステムは、発声の空力システム（PAS）を用いて評価されます。システムは、経口圧力、空気の流れ、および音声の音響（機器とメーカーのリストについては、表1を参照）の同時録​​画が可能になります。使い捨てフェイスマスクと使い捨て圧力感知管は、録音に必要です。録音の前に、流量と圧力のチャンネルは、製造元の仕様に従って校正されています。

1. 肺活量（VC）は最大吸入後の呼気される空気の最大量です。 VCは、ニューモタコに接続されている使い捨てフェイスマスクを用いて評価されます。
   1. PAS"肺活量"プロトコルは、録音用に選択されています。
   2. 参加者は、最大限可能な限り吸い込まないように指示し、マスクに最大限吐き出すされ、タスクは3回繰り返される。
   3. 最大呼気量は、PASのソフトウェアを使用して導出される。
2. Subglottal圧力（Psは）"圧力"の子音の生産のための肺で利用可能な空気圧です。 Psは音節列車^2,3の製造時に口の中でのピーク圧力を測定することによって間接的に評価されます。
   1. PAS"ヴォイシング効率"プロトコルは、録音用に選択されています。
   2. / PA /時の経口圧力を記録するには、圧力感知管は舌表​​面の口の中に配置されている。
   3. 鼻腔は、潜在的な鼻の空気の流れのエスケープを排除するために、ノーズクリップで閉塞されています。
   4. 参加者は約2倍、通常の量を吸い込むと顔のマスクに/ PA /を言うように指示されます。一貫性のあるピッチとラウドネスを維持しながら、音節/ PA /は、一つ呼気に7回繰り返しています。レートは、1秒あたり1.5音節に維持されている。
   5. ピーク経口圧力はPA / /五（真ん中）繰り返しのために測定されます。これら5つの作品の平均は、演説中にPSを表すために取得されます。
   6. 音圧レベル^（SPL）4,5とPsのcovariesので、SPLは、各音節のために収集されます。それは、解析中に共変量としてその後使用されています。
3. 参加者が正確な、自動停止-境界の検出^6向けに特別に開発された標準の60ワードの段落（付録1）を読みながら、 音声の呼吸は、接続されているスピーチの間に評価されます。
   1. PAS"最大発声"プロトコルは、録音用に選択されています。
   2. エアフロー信号は、顔の周りに合わせている使い捨てマスクを使用して収集されます。
   3. 参加者は、通常の快適な話す速度や音量で段落を読み取るように指示されます。
   4. 空気の流れのトレースはMatlabのカスタムメイドの音声入力を一時停止の解析^（SPA）7ソフトウェアのプログラムにエクスポートされます。このプログラムでは、接続された演説の中でポーズが識別されます。ソフトウェアは、通路の読み込み中に一時停止に費やした時間の測定されたその他の措置、パーセントの一時停止の時間、の間で、計算します。

2。発声サブシステム

発声サブシステムは、高品質の音響記録装置（表1）を使用して音声録音を経由して評価されます。

1. マイクが口から約15cm離れて置かれている。
2. 鼻クリップは、発声の品質上咽腔閉鎖不全潜在的な影響を排除するために使用されます。
3. 参加者は、"最大発声"を生成するように求められます。彼または彼女は空気の最大量を吸入して発音する/ /可能な限り長くするため、通常のピッチとラウドネスでするように指示されます。このタスクは、前に録音するには、少なくとも一回実施されている。最大限の努力を定める配置することの重要性が強調されている。
4. 最大発声持続時間は、音響波形を使用して秒単位で測定されます。
5. デジタル化された音響波形を解析するための多次元音声プロファイル（MDVP）ソフトウェアにロードされます。基本周波数の中心傾向および変動性（F0）の対策、ノイズの高調波比（NHR）とパーセントのジッタは、特に、発声区間の途中5秒間得られる。

3。 Resonatoryサブシステム

resonatoryサブシステムは、Nasometerを用いて評価されます。このデバイスは、鼻の下に位置し、口腔と鼻腔を分離されたバッフルプレート、ヘッドセットで構成されています。口腔と鼻腔の音響信号を検出する二つのマイクは、プレートの反対側に取り付けられている。

1. デバイスは、前に、各記録に校正されています。
2. ヘッドセットは、上唇の上に載ってバッフル板に頭の上に置き、grounに平行に配置されているD.
3. 参加者は一つの"鼻"（例えば、ママはいくつかのレモンジャムを作った）と1つの"非鼻"（例えば、ボビー子犬を購入）習慣的な発話速度と音量で文を3回繰り返すように頼まれる。
4. 口腔と鼻腔の音響信号の有声部分の測定強度は、鼻腔/鼻+経口音響エネルギーの比として定義されているnasalanceのスコアに変換され、パーセンテージで表されます。 nasalanceのスコアは、音声ストリーム⁸における鼻から経口音響エネルギーの相対的な割合を反映している。
5. Nasometerソフトウェアはnasalance波形から多数の記述統計を計算します。
6. 鼻文章^（MMJ）9の平均nasalanceから経口文章（BBP）を介して算出した平均nasalanceを差し引いたさNasalanceの距離は、、また咽腔閉鎖機能障害の指標として使用することができます。

4。調音のサブシステム：フェイス

フェイシャル（唇と顎）の動きは、高解像度を使用して3D、光学式モーションキャプチャシステム¹⁰に登録されています。赤外線デジタルビデオカメラは、特定の解剖学的ランドマークで、各参加者の頭や顔に添付される15の反射マーカーの位置を捕捉。音響音声信号は、音声の運動と同時に記録されます。

1. システムは、製造業者の仕様に従って、前の録音に較正されています。
2. 4つのマーカーがヘッドバンドを使用して、参加者の額に添付されています。マーカーはまた、ブリッジや鼻の先端、上側と下赤唇、口の左と右の角、そしてあごの3つの別の場所に、左と右の眉毛に添付されています。これは、このプロトコルで使用されている典型的なマーカーの配列ですが、マーカーの数に制限はこのシステムで使用することができます。
3. 参加者は、彼らの習慣的な発話速度と音量で（表2参照）の文章やフレーズを読むように指示される。
4. "残りの"ファイルの記録は、セッションの間に、必要に応じて一貫性のある解剖学的にベース座標系を基準にしてデータの再発現のためのマーカー配置の違いを正規化するポスト処理で得られ、使用されています。
5. 後処理中に、顔のマーカーの動きは、ヘッドの移動の並進と回転成分の両方の減算に基づいて、トラッキングエラーやヘッド補正のためにチェックされます。
6. データは、SMASH、私たちの研究室で開発されたMATLABベースのソフトウェアプログラムにロードされます。 SMASHの中で、データをろ過し、解析されます。ピークの移動速度は、各トレースに由来し、顎と唇のための調音機能の主要なインジケータとして使用されます。 3Dの速度はSMASHの各咬合器のユークリッド距離の時間履歴の一次導関数として計算されます。

5。調音のサブシステム：舌

舌の追跡は、舌に接続されているセンサーの位置と回転を記録する電磁トラッキングデバイス（WAVE）を、使用して行われます。外部、顔の構造を記録するために使用される光学式モーショントラッキングとは異なり、電磁技術は、正確に演説¹¹時の舌の動きを追跡する方法を提供する。システムは5の組み合わせを使用して、6自由度（5DOFと6DOF）校正されたボリューム内の調音運動を記録するセンサー（30 × 30 × 30センチ）。動きのデータと音響データが同時に取得されています。

1. 二つのセンサは、歯の接着剤（PeriAcryl歯周接着剤）を使用して咬合器に装着されています。つの基準は、頭の動きを記録するために鼻の橋に取り付けられています。一つの小さな5DOFセンサー（3D位置と2次元角度測定）は舌の先端に約2cmの後、正中線で舌に添付されます。
2. 基本的な顎から独立している舌の動きを取得するには、各参加者は、既製の5 mmのバイトブロックが装備されています。バイトブロックは、非毒性の結露のパテ（ヘンリーシャイン）で作られています。
3. バイトブロックは、口の側の大臼歯の間に配置されます。バイトブロックに接続されている文字列は、バイトブロックの嚥下防ぐために、参加者の顔に固定されている。
4. 参加者は（表2参照）の文章やフレーズを読むように指示される。
5. 舌の動きは、頭の位置に対して相対的に記録されます。
6. 買収後、データはそれはローパスフィルタであるSMASH、に転送され、垂直方向の動きのトレースに基づいて解析され、そして3Dの速度を計算するために使用される。各発話中の動きの平均値と最大速度は、この咬合器の疾患に関連した変化の指標として報告されます。

II。システムレベルの評価

サブシステムレベルの変数に加えて、音声明瞭度と発話速度が測定される。これらの測定彼らは延髄音声性能を特徴付ける、現在の臨床"目標基準"であるため、スレスが不可欠です。彼らは、全体としての音声生成系の機能状態の指標を提供し、言語障害の重症度を定量化する。これらの措置は、文の了解度試験^{（SIT）12を}用い^て得られる。

1. 録音する前に、増加する長さの10文（5〜15語から）のランダムなリストは、SITのソフトウェアによって生成されます。
2. マイクが口から約15cm、ヘッド上に配置されます。
3. 参加者は、彼らの習慣的な発話速度と音量でリストを読むように指示される。文章は、デジタル16ビットの分解能を使用して、44.1Kで記録されます。
4. 参加者に精通していないいくつかの訓練を受けた裁判官は、orthographically文章を転写し、文の持続時間を測定する。
5. SITのソフトウェアが自動的に正しく生成されたワードの合計数のうち、転写の単語のパーセントとして報告されている音声明瞭度を、計算する。発話速度は、毎分読み込んだ単語の数として報告されます。

サブシステム	機器/ソフトウェア	信号	買収の設定
呼吸	発声空力システム（PAS）、KayPENTAX、リンカーンパーク、ニュージャージー州、米国	音響、圧力、および流量	サンプリングレート= 200 Hz、ローパスフィルタ処理された= 30Hzの
発声の	コンパクトフラッシュレコーダー（例えば、PMD660）、 プロ品質のマイク、 SPLメーター、エクステックインスツルメンツ ソフトウェア：MDVP、KAYPentax	音響	サンプリングレート= 44.01 kHzの、16ビットリニアPCM
Resonatory	Nasometer、モデル6400、KAYPentax	音響	サンプリングレート= 11025 Hzの
調音：フェイス	イーグルデジタルシステム、モーション解析（株）	キネマティックと音響	サンプリングレート= 120Hzの、低域= 10Hzのフィルタをかけ
調音：舌	WAVE、北部デジタル株式会社、カナダ	キネマティックと音響	サンプリングレート= 100Hzの、ローパス= 20Hzのフィルタをかけ

表1：サブシステムのデータ収集のためのインスツルメンテーションとの取得設定

レベル	タスク	測定	参考文献と規範
呼吸	VC	最大呼気肺気量	13
/ PA / × 7	Subglottal圧力	2、3
竹の一節	％のポーズ時間	6、7、14
発声の	最大発声/ /	最大発声持続時間は、F0、ジッタ、SNRを意味する	15、16、17、3
Resonatory	ママは、いくつかのレモンジャムを作った;ボビー子犬を購入	Nasalance	18、19
調音：フェイス	ボビー子犬を購入する。セイ_再び（バット、潮、維持、ツール）	運動速度	20、21
調音：舌	/ TA / × 5、再びドイリーセイ
システムレベルの	、文章を芝浦	音声明瞭度と発話速度	12

表2：各サブシステムやタスクのために得られた測定値

付録1：竹道

竹の壁は非常に人気が得ている。彼らは、強力な使いやすい、そして格好良いです。彼らは良いバックグラウンドを提供し、日本庭園の雰囲気を作成します。竹は草であり、そして世界で最も急速に成長している草の一つです。それはまた、アメリカで栽培されているものの、竹の多くの品種は、アジアで栽培されています。昨年、私たちは新しい家を購入し、花壇に取り組んできた。さらに数日で、我々は我々の庭園の一つで竹の壁で行われます。我々は、本当にプロジェクトを楽しんでいます。

Discussion

ここでは、ALSにおける延髄（スピーチ）機能障害の評価のための包括的なプロトコルを示した。このプロトコルから得られたデータは、ALSは、音声生成に与える影響についてのより深い理解を得るために使用されます。これらのデータはまた、疾患の進行の最も敏感な措置を特定するために使用されます。このプロトコルは、現在の研究のために採用されているところですが、この研究からの知見は、延髄の関与を定量化するために、よりコスト効率性と臨床的に実現可能なアプローチを開発するために利用されます。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Phonatory Aerodynamic System (PAS)	KayPENTAX
Compact flash recorder	PMD660
Professional quality microphone
SPL meter	Extech Instruments
MDVP	KayPENTAX
Nasometer	KayPENTAX	Model 6400
Eagle Digital System	Motion Analysis Corp.
WAVE	Northern Digital Inc, Canada