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Breathing and speech patterns for predictive modelling of exacerbations of asthma and COPD - 19/05/26

Doi : 10.1016/j.rmed.2026.108829 
Mikołaj Najda a, , Yuyang Yan a, Loes van Bemmel b, Frits M.E. Franssen b, Sami O. Simons b, Visara Urovi a
a Institute of Data Science, Maastricht University, the Netherlands 
b Department of Respiratory Medicine, Maastricht University Medical Centre, the Netherlands 

Corresponding author. Institute of Data Science, Maastricht University, Paul-Henri Spaaklaan 1, 6229 EN Maastricht, P.O. Box 616, 6200 MD, Maastricht, the Netherlands. Institute of Data Science Maastricht University Paul-Henri Spaaklaan 1 6229 EN Maastricht P.O. Box 616 6200 MD Maastricht the Netherlands

Abstract

Background

COPD and asthma cause significant morbidity and mortality across the globe. The development of non-invasive telemonitoring solutions offers the potential to improve patient care.

Objective

To examine whether breathing and speech patterns extracted from audio recordings enhance model generalizability of distinguishing stable from exacerbation periods in COPD and asthma.

Methods

Patterns related to breathing and speech were extracted from a dataset that combined daily audio speech recordings with a patient-reported outcome measure (EXACT). Medical experts categorized patient health status as stable or exacerbation. A tree-based model was investigated for exacerbation prediction. The model was trained on signal-related features, breathing and speech patterns, and combination of both. Results were examined for variability among all people and feature importance.

Results

The study included 21 people (mean age 62.7 years; 66.7% female), 61.9% diagnosed with COPD and 38.1% with asthma. Minimum breath duration and speech duration differed between stable and exacerbation states (p < 0.05). The model, trained on combined features sets achieved Sensitivity of 0.78, 0.10 SD exceeding models trained on acoustic-only (0.70, 0.17 SD) and patterns-only sets (0.68, 0.13 SD). Inconsistencies were observed in patient-level results across exacerbation severity. Speech Duration, Spectral Contrast, Harmonic to Noise Ratio, Breath Group Duration and 26 Mel-Frequency Cepstral Coefficient were found to have the highest importance for the best performing model.

Conclusion

Combining signal derived features with breathing and speech patterns helps models to achieve higher results. Detected clusters within the study group indicate patient-level variability. Presented results position breathing and speech patterns as valuable tool for remote patient screening.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Graphical abstract




Image 1

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Highlights

Minimum breath duration and speech duration differ between stable and exacerbation states.
The model trained on acoustic features combined with breathing and speech patterns achieved the highest score.
The model performance varied across exacerbation event severity.

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Plan


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