Adequação de Medições de Disfônica para Telemonitoramento da Doença de Parkinson

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Publicado na forma final editada como:

IEEE Trans Biomed Eng. Abril de 2009; 56 (4): 1015. doi: 10.1109 / TBME.2008.2005954.

Adequação de medições de disfonia para telemonitoramento da doença de Parkinson

Max A. Little 1 [ Membro IEEE], Patrick E. McSharry 1 [ Membro Sênior IEEE], Eric J. Hunter 2,

Jennifer Spielman 2, e Lorraine O. Ramig 2,3

1 Grupo de Análise, Modelagem e Previsão de Sistemas, Universidade de Oxford, Reino Unido

2 Centro Nacional de Voz e Fala, Centro de Denver para Artes Cênicas, Denver, Colorado, EUA

3 Departamento de Ciências da Fala, Linguagem e Audição, Universidade do Colorado em Boulder, Colorado, EUA

Abstrato

Apresentamos uma avaliação do valor prático das medidas tradicionais e não padronizadas existentes para discriminar pessoas saudáveis de pessoas com doença de Parkinson (DP) por meio da detecção de disfonia. Apresentamos uma nova medida de disfonia, Pitch Period Entropy (PPE), que é robusta a muitos efeitos de confusão incontroláveis, incluindo ambientes acústicos ruidosos e variações normais e saudáveis na frequência da voz. Coletamos fonações sustentadas de 31 pessoas, 23 com DP. Em seguida, selecionamos 10 medidas altamente não correlacionadas e uma pesquisa exaustiva de todas as combinações possíveis dessas medidas encontra quatro que, em combinação, levam a um desempenho geral de classificação correta de 91,4%, usando uma máquina de vetores de suporte de kernel. Em conclusão, descobrimos que os métodos não padronizados em combinação com as relações harmônicas-ruído tradicionais são mais capazes de separar indivíduos saudáveis de indivíduos com DP. Os métodos não padronizados selecionados são robustos a muitas variações incontroláveis no ambiente acústico e assuntos individuais e, portanto, são adequados para aplicações de telemonitoramento.

Palavras-chave

Medidas acústicas; sistema nervoso; análise de discurso; telemedicina

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1. Introdução

Desordens neurológicas, incluindo doença de Parkinson (DP), Alzheimer e epilepsia, afetam profundamente a vida dos pacientes e de suas famílias. A doença de Parkinson afeta mais de um milhão de pessoas apenas na América do Norte [1]. Além disso, o envelhecimento da população significa que esse número deverá aumentar à medida que os estudos sugerem um rápido aumento das taxas de prevalência após os 60 anos [2]. Além do maior isolamento social, o ônus financeiro da DP é significativo e estima-se que aumentará no futuro [3]. Atualmente não há cura, embora haja medicamentos disponíveis que

ofereçam alívio significativo dos sintomas, especialmente nos estágios iniciais da doença [4]. A maioria pessoas com Parkinson doença (PWP) será, portanto, substancialmente dependente da intervenção clínica.

Para muitos PWP, as visitas físicas necessárias à clínica para monitoramento e tratamento são difíceis. Ampliar o acesso à Internet e melhorar a largura de banda dos sistemas de telecomunicações oferece a possibilidade de monitoramento remoto de pacientes ( telemedicina [ 5]), com oportunidades substanciais para reduzir a inconveniência e o custo das visitas físicas.

[pic 7][pic 8][pic 9][pic 10]Little et al.        Página 2

No entanto, para explorar essas oportunidades, há a necessidade de ferramentas confiáveis de monitoramento clínico.

A pesquisa mostrou que aproximadamente 90% dos PWP apresentam alguma forma de deficiência vocal [6,7]. O comprometimento vocal também pode ser um dos primeiros indicadores para o início da doença [8], e a medição da voz não é invasiva e é simples de administrar. Assim, a medição da voz para detectar e acompanhar a progressão dos sintomas da DP tem atraído atenção significativa [9,10].

PWP normalmente exibe uma constelação de sintomas vocais que incluem prejuízo na produção normal de sons vocais ( disfonia), e problemas com a articulação normal da fala ( disartria) - consulte [11] e as referências nele contidas para uma descrição abrangente desses sintomas. Os sintomas disfônicos geralmente incluem volume reduzido, soprosidade, aspereza, diminuição da energia nas partes superiores do espectro harmônico e tremor vocal exagerado.

Muitos testes vocais foram desenvolvidos para avaliar a extensão desses sintomas. Esses incluem fonações sustentadas [ 12,13], onde o paciente é instruído a produzir uma única vogal e manter o tom desta o mais constante possível, pelo maior tempo possível, e

discurso em execução testes [13] onde os pacientes são instruídos a falar uma frase padrão construída para conter uma amostra representativa de unidades linguísticas. Vários desses testes podem precisar ser administrados para uma avaliação completa do comprometimento vocal, mas qualquer sintoma é suficiente para detectar a gravidade do TP. Embora a  execução da fala possa ser considerada um teste mais realista de comprometimento no uso diário real, testes de fonação sustentada simples são capazes de eliciar sintomas disfônicos, e testes de eficácia das medidas para detectar disfonia são mais bem conduzidos sem os efeitos de confusão dos componentes articulatórios ou linguísticos de falar em execução. Neste estudo, portanto, nos concentraremos em testes de fonação sustentada.

Existem estudos extensivos de medição da fala para distúrbios gerais da voz [14-20] e TP em particular [10,21]. Os sons da fala produzidos durante os testes de fala padrão são gravados usando um microfone, e os sinais de fala gravados são subsequentemente analisados usando métodos de medição (implementados em algoritmos de software) projetados para detectar certas propriedades desses sinais.

Os principais métodos de medição tradicionais incluem F0 (a frequência fundamental ou arremesso

de oscilação vocal), nível de pressão sonora absoluta (indicando o volume relativo da fala), jitter ( a extensão da variação na fala F0 do ciclo vocal para o ciclo vocal),