Evaluation of motor speech disorders by acoustic analysis: differential diagnosis and monitoring of medical intervention

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.

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.