Cenu děkana za dizertační práci získali dr. Tereza Tykalová a dr. Michal Novotný z katedry teorie obvodů
Dne 12. dubna udělil prof. Pavel Ripka Cenu děkana za dizertační práci. Ocenění získala Ing. Tereza Tykalová, Ph.D. z katedry teorie obvodů za studii „Evaluation of Motor Speech Disorders by Acoustic Analysis: Differential Diagnosis and Monitoring of Medical Intervention“. Školetem byl prof. Ing. Roman Čmejla, CSc. z téže katedry FEL.
Cenu také obdržel Ing. Michal Novotný, Ph.D. taktéž z katedry teorie obvodů za práci „Automated Assessment of Diadochokinesis and Resonance in Dysarthrias Associated With Basal Ganglia Dysfunction“ pod vedením prof. Ing. Romana Čmejly, CSc. a Ing. Jana Rusze, Ph.D. z téže katedry.
dizertační práce / PhD thesis: Ing. Tereza Tykalová, Ph.D.: Evaluation of Motor Speech Disorders by Acoustic Analysis: Differential Diagnosis and Monitoring of Medical Intervention
školitel / advisor: prof. Ing. Roman Čmejla, CSc., katedra teorie obvodů / Department of Circuit Theory
Abstrakt:
Dysartrie je porucha hlasu a řeči vznikající v důsledku poškození funkce části mozku, která je zodpovědná zejména za řízení a provádění pohybů souvisejících s tvorbou řeči. Dysartrie se v dospělosti běžně vyskytuje jako důsledek degenerativních onemocnění, mezi která patří i Parkinsonova nemoc (PN), Huntingtonova nemoc (HN), mnohočetná systémová atrofie (MSA), progresivní supranukleární obrna (PSO) nebo cerebelární ataxie (CA). Rozpoznání a klasifikace specifických řečových charakteristik souvisejících s dysartrií může poskytnout důležité informace o patofyziologii a lokalizaci neurologických onemocnění. Hodnocení míry poškození řeči pak může též sloužit jako cenný ukazatel pro stanovení doby nástupu nemoci či účinnosti léčby. Hlavní cíle této disertační práce jsou: (a) navrhnout vhodné algoritmy, metody a měření, které by byly dostatečně citlivé a přesné, aby zachytily patologické změny v řeči, (b) objektivně kvantifikovat vliv neurologických poruch na řečový projev a (c) hledat souvislosti mezi pozorovanými změnami v řeči a celkovým motorickým stavem pacienta či medikací, kterou užívá, za účelem hlubšího porozumění patofyziologii poruch řeči. V rámci dizertace bylo pořízeno několik databází PN, HN, MSA, PSO a CA pacientů a zdravých kontrol odpovídajícího věku. V průběhu nahrávání byli všichni účastníci studie požádáni o provedení několika řečových úloh jako je prodloužená fonace, rychlé opakování slabik, přečtení úryvku textu nebo vyprávění krátkého monologu. Dále byly pořízeny záznamy s různými klinickými informacemi o stavu motorických či kognitivních schopností pacienta nebo dávkách užívaných léků. Objektivní kvantitativní hodnocení řeči bylo provedeno s pomocí akustických analýz. Statistické analýzy byly použity k hledání možných rozdílů mezi skupinami či korelací mezi řečovými a klinickými charakteristikami. Výsledky této disertační práce jsou prezentovány v podobě devíti IF publikací. Vliv neurologické poruchy na produkci řeči se nám podařilo objektivně kvantifikovat u všech zkoumaných nemocí včetně PN, HN, MSA, PSO a CA. Dále se ukázalo, že oddělení pacientů od zdravých kontrol pouze na základě nahrávky řečového projevu je možné. Taktéž jsme prokázali, že i diferenciace mezi několika velmi podobnými nemocemi parkinsonského typu je možná. S použitím akustických analýz jsme byly schopni rozlišit mezi MSA/PSO a PN s přesností 95 % a mezi PSO a MSA s přesností 75 %. Dále jsme objevili řadu korelací mezi klinickými a řečovými charakteristikami. Nepříznivý účinek levodopy na plynulost řeči byl nalezen u pacientů s PN po 3-6 letech užívání tohoto léku. Na druhé straně jsme pozorovali zlepšení nebo alespoň zachování kvality řečového projevu (související zejména s přesností artikulace souhlásek a samohlásek, variabilitou výšky hlasu a počtem pauz) u 2/3 těchto PN pacientů, zatímco řeč se zhoršila pouze u 1/3. Tyto nálezy naznačující celkový pozitivní účinek dlouhodobého užívání levodopy na dysartrii v brzkých stádiích PN. Závěrem lze říci, že objektivní akustická analýza poruch řeči může významně přispět ke včasné a správné diagnóze dané nemoci a také přispět k hlubšímu porozumění patofyziologii těchto chorob.
Dysartrie je porucha hlasu a řeči vznikající v důsledku poškození funkce části mozku, která je zodpovědná zejména za řízení a provádění pohybů souvisejících s tvorbou řeči. Dysartrie se v dospělosti běžně vyskytuje jako důsledek degenerativních onemocnění, mezi která patří i Parkinsonova nemoc (PN), Huntingtonova nemoc (HN), mnohočetná systémová atrofie (MSA), progresivní supranukleární obrna (PSO) nebo cerebelární ataxie (CA). Rozpoznání a klasifikace specifických řečových charakteristik souvisejících s dysartrií může poskytnout důležité informace o patofyziologii a lokalizaci neurologických onemocnění. Hodnocení míry poškození řeči pak může též sloužit jako cenný ukazatel pro stanovení doby nástupu nemoci či účinnosti léčby. Hlavní cíle této disertační práce jsou: (a) navrhnout vhodné algoritmy, metody a měření, které by byly dostatečně citlivé a přesné, aby zachytily patologické změny v řeči, (b) objektivně kvantifikovat vliv neurologických poruch na řečový projev a (c) hledat souvislosti mezi pozorovanými změnami v řeči a celkovým motorickým stavem pacienta či medikací, kterou užívá, za účelem hlubšího porozumění patofyziologii poruch řeči. V rámci dizertace bylo pořízeno několik databází PN, HN, MSA, PSO a CA pacientů a zdravých kontrol odpovídajícího věku. V průběhu nahrávání byli všichni účastníci studie požádáni o provedení několika řečových úloh jako je prodloužená fonace, rychlé opakování slabik, přečtení úryvku textu nebo vyprávění krátkého monologu. Dále byly pořízeny záznamy s různými klinickými informacemi o stavu motorických či kognitivních schopností pacienta nebo dávkách užívaných léků. Objektivní kvantitativní hodnocení řeči bylo provedeno s pomocí akustických analýz. Statistické analýzy byly použity k hledání možných rozdílů mezi skupinami či korelací mezi řečovými a klinickými charakteristikami. Výsledky této disertační práce jsou prezentovány v podobě devíti IF publikací. Vliv neurologické poruchy na produkci řeči se nám podařilo objektivně kvantifikovat u všech zkoumaných nemocí včetně PN, HN, MSA, PSO a CA. Dále se ukázalo, že oddělení pacientů od zdravých kontrol pouze na základě nahrávky řečového projevu je možné. Taktéž jsme prokázali, že i diferenciace mezi několika velmi podobnými nemocemi parkinsonského typu je možná. S použitím akustických analýz jsme byly schopni rozlišit mezi MSA/PSO a PN s přesností 95 % a mezi PSO a MSA s přesností 75 %. Dále jsme objevili řadu korelací mezi klinickými a řečovými charakteristikami. Nepříznivý účinek levodopy na plynulost řeči byl nalezen u pacientů s PN po 3-6 letech užívání tohoto léku. Na druhé straně jsme pozorovali zlepšení nebo alespoň zachování kvality řečového projevu (související zejména s přesností artikulace souhlásek a samohlásek, variabilitou výšky hlasu a počtem pauz) u 2/3 těchto PN pacientů, zatímco řeč se zhoršila pouze u 1/3. Tyto nálezy naznačující celkový pozitivní účinek dlouhodobého užívání levodopy na dysartrii v brzkých stádiích PN. Závěrem lze říci, že objektivní akustická analýza poruch řeči může významně přispět ke včasné a správné diagnóze dané nemoci a také přispět k hlubšímu porozumění patofyziologii těchto chorob.
Abstract:
Dysarthria is a motor speech disorder resulting from neurologic impairment affecting mainly the control and execution of movements related to speech production. Occurrence of dysarthria in adult age is commonly manifested as a consequence of degenerative disorder such as Parkinson's disease (PD), Huntington's disease (HD), multiple system atrophy (MSA), progressive supranuclear palsy (PSP) or cerebellar ataxia (CA). Interestingly, identification of specific deviant speech characteristics can provide important clues about the underlying pathophysiology and localization of neurological diseases. Speech may also serve as a valuable marker of disease onset or treatment efficacy. Therefore, the main aims of this doctoral thesis were (a) to design the feasible algorithms, methodologies or measurements that would be sensitive and accurate enough to capture pathological changes in speech, (b) to objectively quantify the effect of neurological disorder on speech production and (c) to relate the potentially observed speech changes to overall motor performance or medication doses in order to provide deeper insight into the pathophysiology of speech disturbances. Several databases of PD, HD, MSA, PSP and CA patients as well as age-matched healthy controls were obtained. During recording, all participants were instructed to perform several speaking tasks such as sustained phonation, fast syllable repetition, reading passage or monologue. In addition, various clinical information about patient's motor skills, cognitive abilities or medication doses was available. The acoustic analyses were carried out to provide quantitative objective evaluation of speech performances. Statistical analyses were applied to search for possible group differences or correlations between speech and clinical metrics. The results of this doctoral thesis are presented in the form of nine peer-reviewed journal papers. In summary, we managed to objectively quantify the effect of neurological disorder on speech production in PD, HD, MSA, PSP and CA patients. Furthermore, we proved that the separation of patients from healthy controls based solely on speech is possible. The differentiation among several types of parkinsonian disorders is also possible as we were able to discriminate between MSA/PSP and PD with 95 % accuracy and between PSP and MSA subjects with 75 % accuracy. In addition, a number of correlations were found between clinical and speech characteristics. Considering PD, an adverse effect of levodopa on speech fluency was found in PD patients after 3-6 years of taking medication. On the other hand, we found improved or maintained speech performances (related mainly to consonant and vowel articulation, pitch variability and number of pauses) in two-thirds of those PD patients whereas speech deteriorated only in one-third; indicating general positive effect of long-term dopaminergic therapy on dysarthria in early stages of PD. In conclusion, objective acoustic analysis of motor speech disorders can significantly contribute to early and correct diagnosis of the particular disorder and provide more insights into underlying pathophysiology of such diseases.
Dysarthria is a motor speech disorder resulting from neurologic impairment affecting mainly the control and execution of movements related to speech production. Occurrence of dysarthria in adult age is commonly manifested as a consequence of degenerative disorder such as Parkinson's disease (PD), Huntington's disease (HD), multiple system atrophy (MSA), progressive supranuclear palsy (PSP) or cerebellar ataxia (CA). Interestingly, identification of specific deviant speech characteristics can provide important clues about the underlying pathophysiology and localization of neurological diseases. Speech may also serve as a valuable marker of disease onset or treatment efficacy. Therefore, the main aims of this doctoral thesis were (a) to design the feasible algorithms, methodologies or measurements that would be sensitive and accurate enough to capture pathological changes in speech, (b) to objectively quantify the effect of neurological disorder on speech production and (c) to relate the potentially observed speech changes to overall motor performance or medication doses in order to provide deeper insight into the pathophysiology of speech disturbances. Several databases of PD, HD, MSA, PSP and CA patients as well as age-matched healthy controls were obtained. During recording, all participants were instructed to perform several speaking tasks such as sustained phonation, fast syllable repetition, reading passage or monologue. In addition, various clinical information about patient's motor skills, cognitive abilities or medication doses was available. The acoustic analyses were carried out to provide quantitative objective evaluation of speech performances. Statistical analyses were applied to search for possible group differences or correlations between speech and clinical metrics. The results of this doctoral thesis are presented in the form of nine peer-reviewed journal papers. In summary, we managed to objectively quantify the effect of neurological disorder on speech production in PD, HD, MSA, PSP and CA patients. Furthermore, we proved that the separation of patients from healthy controls based solely on speech is possible. The differentiation among several types of parkinsonian disorders is also possible as we were able to discriminate between MSA/PSP and PD with 95 % accuracy and between PSP and MSA subjects with 75 % accuracy. In addition, a number of correlations were found between clinical and speech characteristics. Considering PD, an adverse effect of levodopa on speech fluency was found in PD patients after 3-6 years of taking medication. On the other hand, we found improved or maintained speech performances (related mainly to consonant and vowel articulation, pitch variability and number of pauses) in two-thirds of those PD patients whereas speech deteriorated only in one-third; indicating general positive effect of long-term dopaminergic therapy on dysarthria in early stages of PD. In conclusion, objective acoustic analysis of motor speech disorders can significantly contribute to early and correct diagnosis of the particular disorder and provide more insights into underlying pathophysiology of such diseases.
dizertační práce / PhD thesis: Ing. Michal Novotný, Ph.D: Automated Assessment of Diadochokinesis and Resonance in Dysarthrias Associated With Basal Ganglia Dysfunction
školitel / advisor: prof. Ing. Roman Čmejla, CSc. & Ing. Jan Rusz, Ph.D., katedra teorie obvodů / Department of Circuit Theory
Abstrakt:
Poškození řeči spojené s neurodegenerativními onemocněními se nazývá dysartrie. Dřívější výzkum ukázal, že dysartrie je jedním z nejdříve se vyskytujících a nejčastějším subklinickým projevem neurodegenerativních onemocnění jako jsou Parkinsonova nemoc (PD), Huntingtonova nemoc (HD), mnohočetná systémová atrofie (MSA) a progresivní supranukleární palasa (PSP). I přestože artikulační a rezonanční obtíže patří mezi významné dysartrické projevy, nejčastěji využívané metody automatického hodnocení jsou založeny pouze na měření dysfonie. Proto je hlavním cílem této práce návrh automatického hodnocení artikulačních a rezonančních deficitů jako užitečného nástroje doplňujícího metody používané v současnosti. Navíc je dalším cílem využití navržených objektivních metod pro hodnocení dysartrie k popsání různých dysartrických profilů. Z toho důvodu byly dysartrie zkoumány ze dvou perspektiv první bylo vyšetření rychlých artikulačních pohybů založené na úloze rychlého opakování slabik /pa/,/ta/ a /ka/ a tou druhou bylo hodnocení funkce měkkého patra založené na prodloužené fonaci samohlásky /i/. Dizertační práce shrnuje výsledky několika studií, a proto také pracuje s více různými soubory dat získaných od účastníků diagnostikovaných s PD, MSA, PSP, HD a navíc s kontrolními nahrávkami zdravých dobrovolníků. V první části zaměřené na rychle artikulační pohyby je představena metodika automatického hodnocení šesti řečových dimenzí zahrnujících kvalita hlasu, koordinaci laryngeálních a supralaryngeálních artikulátorů, přesnost artikulace konsonant pohyby jazyka, slábnutí okluze, časování řeči. Výsledky prezentované v této části ukazují signifikantní rozdíly mezi zdravými a patologickými promluvami a navíc odhalili rozdílné charaktery řečových poruch u rozdílných typů neurodegenerativních onemocnění. Prezentovaný klasifikační experiment ukázal, že je možné rozčlenit de novo PD pacienty od zdravých účastníků s 88% úspěšností. V druhá část, za použití analýzy 1/3-oktávového spektra, popisuje přítomnost nasální rezonance jako akustického ukazatele reflektujícího hypernasalitu. Výsledky prezentované v této části ukazují zvýšení výskytu hypernasality u PD i HD pacientů. Nicméně pouze u pacientů diagnostikovaných s HD byly nalezeny statisticky signifikantní rozdíly. Navíc se u HD a MSA se ukázala jako významná přítomnost kolísavé hypernasality kterou jsme dokumentovali u 78 % případů HD a u 68 % případů MSA Celkově, výsledky prezentované v této dizertační práci ukazují, že automatické hodnocení artikulační a rezonančních poruch může poskytnout užitečná vodítka pro potřeby brzké a diferenciální diagnózy, monitorování progrese onemocnění, monitorování efektivity léčby a monitorování účinků řečové terapie.
Poškození řeči spojené s neurodegenerativními onemocněními se nazývá dysartrie. Dřívější výzkum ukázal, že dysartrie je jedním z nejdříve se vyskytujících a nejčastějším subklinickým projevem neurodegenerativních onemocnění jako jsou Parkinsonova nemoc (PD), Huntingtonova nemoc (HD), mnohočetná systémová atrofie (MSA) a progresivní supranukleární palasa (PSP). I přestože artikulační a rezonanční obtíže patří mezi významné dysartrické projevy, nejčastěji využívané metody automatického hodnocení jsou založeny pouze na měření dysfonie. Proto je hlavním cílem této práce návrh automatického hodnocení artikulačních a rezonančních deficitů jako užitečného nástroje doplňujícího metody používané v současnosti. Navíc je dalším cílem využití navržených objektivních metod pro hodnocení dysartrie k popsání různých dysartrických profilů. Z toho důvodu byly dysartrie zkoumány ze dvou perspektiv první bylo vyšetření rychlých artikulačních pohybů založené na úloze rychlého opakování slabik /pa/,/ta/ a /ka/ a tou druhou bylo hodnocení funkce měkkého patra založené na prodloužené fonaci samohlásky /i/. Dizertační práce shrnuje výsledky několika studií, a proto také pracuje s více různými soubory dat získaných od účastníků diagnostikovaných s PD, MSA, PSP, HD a navíc s kontrolními nahrávkami zdravých dobrovolníků. V první části zaměřené na rychle artikulační pohyby je představena metodika automatického hodnocení šesti řečových dimenzí zahrnujících kvalita hlasu, koordinaci laryngeálních a supralaryngeálních artikulátorů, přesnost artikulace konsonant pohyby jazyka, slábnutí okluze, časování řeči. Výsledky prezentované v této části ukazují signifikantní rozdíly mezi zdravými a patologickými promluvami a navíc odhalili rozdílné charaktery řečových poruch u rozdílných typů neurodegenerativních onemocnění. Prezentovaný klasifikační experiment ukázal, že je možné rozčlenit de novo PD pacienty od zdravých účastníků s 88% úspěšností. V druhá část, za použití analýzy 1/3-oktávového spektra, popisuje přítomnost nasální rezonance jako akustického ukazatele reflektujícího hypernasalitu. Výsledky prezentované v této části ukazují zvýšení výskytu hypernasality u PD i HD pacientů. Nicméně pouze u pacientů diagnostikovaných s HD byly nalezeny statisticky signifikantní rozdíly. Navíc se u HD a MSA se ukázala jako významná přítomnost kolísavé hypernasality kterou jsme dokumentovali u 78 % případů HD a u 68 % případů MSA Celkově, výsledky prezentované v této dizertační práci ukazují, že automatické hodnocení artikulační a rezonančních poruch může poskytnout užitečná vodítka pro potřeby brzké a diferenciální diagnózy, monitorování progrese onemocnění, monitorování efektivity léčby a monitorování účinků řečové terapie.
Abstract:
The speech disruption caused by neurodegenerative disease is termed dysarthria. Previous research has identified dysarthria as one of the earliest and the most common subclinical manifestation associated with neurodegenerative diseases such as Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), multiple system atrophy (MSA) and progressive supranuclear palsy (PSP). Even though presence of articulatory and resonatory deficits represent an important part of dysarthria manifestations the most widely used methods currently available for the automatic evaluation of speech performance are focused only on the assessment of dysphonia. Therefore the aim of the thesis is to present the automatic assessment of articulatory and resonatory deficits as a useful tool enhancing current approaches of dysarthria analysis. Furthermore, the next goal is to use the objective dysarthria assessment to describe different dysarthria patterns. For this reason, we have examined articulatory deficits from two perspectives: first as the description of fast repetitive moves produced during speech diadochokinetic task (repetition of /pa/, /ta/ and /ka/ syllables) and second one as the description of the velopharyngeal function using a sustained phonation of the vowel /i/. The thesis summarizes the results of several studies and therefore of different participant datasets, including speakers diagnosed with PD, MSA, PSP, HD and healthy control (HC) speakers, which were used for the purposes of articulatory and resonatory deficits estimation. In the first part aimed at rapid articulatory movements, the fully automatic assessment of several acoustic features describing six dysarthria dimensions (i.e. voice quality, laryngeal and supralaryngeal coordination, precision of consonant articulation, tongue movements, occlusion weakening and speech timing) was proposed. Results presented in this section showed significant differences between healthy and pathological utterances and moreover revealed distinctive patterns of articulatory distortion connected with different neuropathology. The presence of these distinctive patterns has been supported by the results of the performed classification experiment, which was able to distinguish between PD vs. HC with 87% accuracy. The second part used the 1/3-octave spectrum method to describe the presence of nasal resonance as an acoustic feature reflecting increased nasality. Results of this section showed an overall increased presence of hypernasality in Parkinsonian and Huntingtonian patients. Nevertheless, significant differences were found only among the HD speakers. More importantly the intermittent character of hypernasality was found to be one of the very distinctive features present in 78% of HD speakers and moreover a significant increase in the presence of intermittent hypernasality was also documented in 68 % of MSA speakers. In general, the results presented in the thesis show that the automatic assessment of articulatory deficits may provide useful clues for the early diagnosis, monitoring of disease progression, monitoring of speech therapy efficacy and adjustment and the differential diagnosis.
The speech disruption caused by neurodegenerative disease is termed dysarthria. Previous research has identified dysarthria as one of the earliest and the most common subclinical manifestation associated with neurodegenerative diseases such as Parkinson’s disease (PD), Huntington’s disease (HD), multiple system atrophy (MSA) and progressive supranuclear palsy (PSP). Even though presence of articulatory and resonatory deficits represent an important part of dysarthria manifestations the most widely used methods currently available for the automatic evaluation of speech performance are focused only on the assessment of dysphonia. Therefore the aim of the thesis is to present the automatic assessment of articulatory and resonatory deficits as a useful tool enhancing current approaches of dysarthria analysis. Furthermore, the next goal is to use the objective dysarthria assessment to describe different dysarthria patterns. For this reason, we have examined articulatory deficits from two perspectives: first as the description of fast repetitive moves produced during speech diadochokinetic task (repetition of /pa/, /ta/ and /ka/ syllables) and second one as the description of the velopharyngeal function using a sustained phonation of the vowel /i/. The thesis summarizes the results of several studies and therefore of different participant datasets, including speakers diagnosed with PD, MSA, PSP, HD and healthy control (HC) speakers, which were used for the purposes of articulatory and resonatory deficits estimation. In the first part aimed at rapid articulatory movements, the fully automatic assessment of several acoustic features describing six dysarthria dimensions (i.e. voice quality, laryngeal and supralaryngeal coordination, precision of consonant articulation, tongue movements, occlusion weakening and speech timing) was proposed. Results presented in this section showed significant differences between healthy and pathological utterances and moreover revealed distinctive patterns of articulatory distortion connected with different neuropathology. The presence of these distinctive patterns has been supported by the results of the performed classification experiment, which was able to distinguish between PD vs. HC with 87% accuracy. The second part used the 1/3-octave spectrum method to describe the presence of nasal resonance as an acoustic feature reflecting increased nasality. Results of this section showed an overall increased presence of hypernasality in Parkinsonian and Huntingtonian patients. Nevertheless, significant differences were found only among the HD speakers. More importantly the intermittent character of hypernasality was found to be one of the very distinctive features present in 78% of HD speakers and moreover a significant increase in the presence of intermittent hypernasality was also documented in 68 % of MSA speakers. In general, the results presented in the thesis show that the automatic assessment of articulatory deficits may provide useful clues for the early diagnosis, monitoring of disease progression, monitoring of speech therapy efficacy and adjustment and the differential diagnosis.