Automated assessment of diadochokinesis and resonance in dysarthrias associated with basal ganglia dysfunction

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.

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.