ČeskyEnglish

Analýza, modelování a interpretace signálů
(Signal Analysis, Modelling, and Interpretation)

Katedra teorie obvodů, Technická 2, 166 27 Praha 6
Tel: +420 224 352 236
Fax: +420 233 339 805
http://sami.fel.cvut.cz/

Kdo jsme?

doc. Ing. Roman Čmejla, CSc.
vedoucí skupiny

Ing. Jan Rusz
patologická řeč

Ing. Petr Ježdík, PhD.
intrakraniální EEG

Ing. Radek Janča
intrakraniální EEG

Ing. Jiří Balach
intrakraniální EEG

Ing. Lukáš Bauer
fyziologické signály

Ing. Tomáš Havel
intrakraniální EEG

Ing. Jan Hlavnička
patologická řeč

Ing. Tomáš Lustyk
patologická řeč

Ing. Martina Nejepsová
patologická řeč

Ing. Michal Novotný
patologická řeč

Ing. Jan Sedlák
fyziologické signály

Ing. Daniel Špulák
fyziologické signály

Ing. Tereza Tykalová
patologická řeč

 

Jakým výzkumem se zabýváme

Výzkumná skupina se ve spolupráci s lékařskými pracovišti věnuje teoretickým otázkám i praktickým aplikacím z oblasti neurologie, foniatrie a logopedie a to zejména:

  • analýze, modelování a interpretaci řečových patologií
  • analýze a interpretaci intrakraniálních EEG signálů
  • analýze, modelování a interpretaci fyziologických signálů (EMG, PPG, EKG, TK)

K čemu to je

Výsledky výzkumu jsou součástí společných projektů s lékařskými pracovišti, kde vedou k hlubšímu poznání a jsou využívány při diagnostice a hodnocení průběhů léčby.

Na čem konkrétně pracujeme

Analýzy řeči pro včasnou diagnostiku Parkinsonovy nemoci

Řeč je významným ukazatelem motorických funkcí a pohybové koordinace a zároveň je extrémně citlivá k postižení centrální nervové soustavy. Parkinsonova nemoc je běžně se vyskytující neurodegenerativní onemocnění s prevalencí 2 ze 100 lidí nad 60 let věku, které přímo souvisí s úbytkem nervových buněk tvořících dopamin v části mozku zvané Substantia nigra. První motorické příznaky onemocnění, tj. třes, ztuhlost, zpomalenost a poruchy stoje a chůze se projevují až po odumření 60-70% dopaminergních neuronů a včasná diagnóza je tedy zásadní pro zlepšení kvality života takto postižených jedinců. Změny v řeči, které se projevují například monotónností, nepřesnou artikulací, zvýšeným chrapotem, či neschopností udržet rytmus, mohou dlouhodobě předcházet rozvoji motorických příznaků a to až o 10 let před stanovením diagnózy. Výzkum naší skupiny je soustředěn k vývoji nových technologií založených na metodách digitálního zpracování signálu pro automatické hodnocení tíže postižení hlasu a řeči. Námi vyvinuté technologie představují přesnou, objektivní, jednoduše proveditelnou, levnou a neinvazivní metodu, která může sloužit jako cenný ukazatel pro včasné stanovení diagnózy. Dále se také zaměřujeme na výzkum vzácného dědičného onemocnění zvaného Huntigtonova nemoc. Tato onemocnění je vhodným experimentálním modelem, neboť umožňuje zjistit přítomnost postiženého genu u jedince, a tedy sledovat rozvoj onemocnění od preklinických stádií až po propuknutí prvních příznaků nemoci.

Analýza a zpracování intrakraniálního EEG

Epilepsie je komplexní chronické neurologické onemocnění, pro které jsou charakteristické epileptické záchvaty. Několik procent nemocných trpících epilepsií je farmako-rezistentní. Někteří z těchto pacientů mají tak závažný průběh nemoci, že jsou ohroženi na životě, případně jim nemoc brání ve vývoji mozku. Proto u nich neurochirurgové přistupují k resekci části poškozeného mozku, čímž zabraňují vzniku epileptických záchvatů. Pro úspěšnou léčbu, bez závažného poškození mozkových funkcí, je nutná lokalizace zóny vzniku záchvatu. Pro její přesné určení se kromě jiných metod používá analýza intrakraniálního EEG. V našem výzkumu se snažíme detekovat významné změny v interiktálních, iktálních a postiktálních intrakraniálních EEG.

Diferenciální diagnóza u neurologických onemocnění na bázi řeči

Poruchy řeči nazývané dysartrie se mohou výrazně lišit v závislosti na daném neurologickém onemocnění. Charakter poruchy řeči totiž úzce souvisí s oblastí postižení mozku, a proto řeč může být vhodným ukazatelem pro lokalizaci neurologického postižení a může tak napomoci diferenciální diagnostice mezi různými typy neurologických onemocnění. Například řeč u pacienta s Parkinsonovou nemocí se běžně projevuje monotónní intonací, zatímco u pacienta po mrtvici dochází k naprosto opačnému jevu, to jest k přehnané dynamice řeči. Výzkum naší skupiny je tedy soustředěn k vývoji nových technologií založených na metodách digitálního zpracování signálu pro identifikaci různých řečových dimenzí jako je například monotónnost, chrapot, zrychlené tempo řeči, nepřesná artikulace a mnoho dalších. Konkrétně se pak zabýváme rozdíly v řeči u různých atypických parkinsonských syndromů jako jsou například progresivní supranukleární obrna nebo mnohotná systémová atrofie. I když tyto atypické parkinsonské syndromy mají postižené jiné části mozku než má Parkinsonova nemoc, na počátku onemocnění mají stejné příznaky a proto je složité stanovit správnou diagnózu. Nicméně včasná a správná diagnóza je zásadní pro správné nastavení terapie, zhodnocení prognózy, ale také pro porozumění patofyziologickým procesům u těchto onemocnění a vývoj nových strategií léčby.

Hodnocení efektů léků a chirurgických zákroků na kvalitu řeči

Pro většinu neurodegenerativních onemocnění neexistuje v současné době žádná dostupná léčba, která by dokázala zpomalit nebo zastavit odumírání buněk v mozku, nicméně současná medicína nabízí mnoho prostředků, které pomáhají zmírnit jednotlivé projevy nemoci. Mezi tyto prostředky patří nejrůznější léky, ale také logopedická nebo rehabilitační péče, či dokonce chirurgický zákrok. Hlavní projevy Parkinsonovy nemoci, tj. třes, ztuhlost, zpomalenost pohybů a poruchy chůze, je možné efektivně zmírnit podáním léku levodopa, který způsobuje stabilizaci dopaminu v mozku. Na léčbu reaguje většina (asi 75%) pacientů příznivě a léčba jim umožňuje návrat do běžného života až na 10 let. Další možností je hluboká mozková stimulace, chirurgický zákrok, jehož principem je elektrická stimulace postižené části mozku. V této souvislosti se naše výzkumná skupina zabývá projektem řešícím dopady změny parametrů stimulace, jako je frekvence a amplituda, na stabilitu chůze a kvalitu řeči. Dále se zabýváme hodnocením efektů levodopy na řeč u Parkinsonovy nemoci a antipsychotik na řeč u Huntingtonovy nemoci, či hodnocení efektu fyzioterapie na zlepšení stability trupy a tedy i řeči u pacientů se Spinocerebelární ataxií. V budoucnosti bychom se také rádi věnovali i hodnocení efektů logopedické péče, neboť akustické analýzy mohou být cenným ukazatelem pro motivaci a zpětnou vazbu při terapii řeči.

Objektivizace koktavosti a plynulosti promluv

Koktavost je poruchou řeči, při které je řeč narušena mimovolním opakováním či prodlužováním zvuků, slabik, slov, vět, vytvářením pauz či bloků, při kterých pacient není schopen produkovat zvuk. Neplynulost promluv u pacientů s koktavostí představuje velký sociální a zdravotní problém. Příčiny koktavosti nejsou jednoznačné, výskyt v populaci je přibližně 5%, počátky onemocnění jsou nejčastěji mezi druhým a čtvrtým rokem. Pro předcházení trvalých a těžkých forem onemocnění je za nejúčinnější a efektivní strategii považována včasná léčba. Cílem projektu je nalezení metod, založených na analýze zvukových záznamů, umožňujících objektivně a automaticky určit stupeň poruchy plynulosti řeči, což by bylo využitelné foniatry při stanovení závažnosti koktavosti i pacienty při vlastní léčbě.

Analýza povrchového EMG signálu

Tento výzkum je zaměřen na analýzu a modelování elektromyografického (EMG) signálu. Náš výzkum je cílen na testování a návrh metod signálového zpracování vhodných pro detekci počátku a konce svalové aktivity na základě povrchově snímaného EMG signálu. Nahrávání signálů a interpretace výsledků analýzy probíhá ve spolupráci s odboríky z Fakulty tělesné výchovy a sportu při UK. Náš zájem je také věnován objektivizaci svalové koordinace, dignostikou neurologických onemocnení a vhodné prezentaci výsledů analýz EMG signálů.

Řeč dětí s vývojovou dysfázií

Vývojová dysfázie je závažným onemocněním v dětském věku, které se projevuje různými způsoby - v řeči, motorickém pohybu, vnímání a orientaci. Pro hodnocení stupně nemoci používají lékaři metody založené na subjektivním hodnocení promluv a testování. Cílem projektu je vytvoření automatického klasifikátoru - aplikace, která by byla použita k objektivní diagnostice vývojové dysfázie.

 

Věková závislost akustických charakteristik v dětských promluvách

Analýza vztahu mezi akusticko-fonetickými charakteristikami řeči a věku mluvčího může mít řadu aplikací. Náš výzkum je motivován praktickými zkušenostmi v oboru foniatrie a logopedie. Při hodnocení dětských patologických promluv se často lékaři a logopedové snaží subjektivně určit, jakému věku dítěte s normálním vývojem řeči odpovídá hodnocená patologická promluva. Z hodnocení potom usuzují, v jakém věku se zastavil vývoj řeči. Zatímco chronologický věk je jednoznačně určen datem narození, na základě akusticko-fonetických charakteristik dětských promluv se snažíme určit tzv. logopedický věk, který by sloužil k objektivizaci hodnocení logopedy.

Databáze signálů, DSP algoritmy a podpora výuky

Řada našich projektů se zabývá vývojem nových softwarových nástrojů, algoritmy číslicového zpracování signálu, sběrem a tvorbou unikátních databází, real-time aplikacemi, výukovými materiály atd. V rámci našeho výzkumu jsme vyvinuli algoritmy zpracování signálů pro pořízení, zpracování, vizualizaci a klasifikaci řečových a biologických signálů, implementovali nová měření artikulace v reálném čase v C # . NET pro hodnocení patologie řeči. Mimo jiné spolupracujeme na vzniku multimediálního Atlasu hlasových poruch, spolupracovali jsme na Atlasu fyziologie a patofyziologie, a řešíme další výzkumné a vývojové úkoly.

Kdo financuje náš výzkum

Náš výzkum je v současnosti podporován následujícími granty:

  • Analýza hlasu a řeči pacientů s onemocněními centrální nervové soustavy, GAČR 102/12/2230, R. Čmejla (2012 - 2015)
  • Dynamika a kritické chování neuronálních populací a jejich význam v přechodu do epileptického záchvatu, GAČR 14-02634S, P. Jiruška, (2014-2017)
  • Pochopení funkční organizace neuronálních okruhů epilepsie temporálního laloku za účelem zkvalitnění předoperační diagnostiky a predikce výsledku chirurgické léčby. IGA MZ, NT14489/2013, P. Jiruška, (2013-2015)

a několik grantových projektů SGS a SVK.

S kým spolupracujeme

Velmi úzce spolupracujeme s řadou odborníků z různých pracovišť, zejména z následujících institucí:

Vybrané publikace

Publikovali jsme původní příspěvky v několika světových špičkových mezinárodních vědeckých časopisech a prezentovali své výsledky na řadě mezinárodních kongresů a konferencí, zde uvádíme jen impaktované publikace za posledních pět let:

  • R. Janča, P. Ježdík, R. Čmejla, M. Tomasek, G.A. Worrell, M. Stead, J. Wagenaar, J.G.R. Jefferys, P. Kršek, V. Komárek, P. Jiruška, P. Marusič. (2014). "Detection of interictal epileptiform discharges using signal envelope distribution modelling: application to epileptic and non-epileptic intracranial recordings". Brain Topography.
  • J. Rusz, J. Klempíř, T. Tykalová, E. Baborová, R. Čmejla, E. Růžička, and J. Roth. (2014). "Characteristics and occurrence of speech impairment in Huntington's disease: possible influence of antipsychotic medication," Journal of Neural Transmission, 121(12 December): 655-664.
  • J. Rusz, C. Saft, U. Schlegel, R. Hoffman, S. Skodda. (2014). "Phonatory Dysfunction as a Preclinical Symptom of Huntington Disease," PLoS One, 9(11 November): e113412.
  • M. Novotný, J. Rusz, R. Čmejla, E. Růžička. (2014). Automatic evaluation of articulatory disorders in Parkinson's disease. IEEE/ACM Transactions on Audio, Speech, and Language Processing, 22(9 September): 1366-1378.
  • A. Stráník, R. Čmejla, and J. Vokřál. (2014). "Acoustic parameters for classification of breathiness in continuous speech according to the GRBAS scale," Journal of Voice, 28(5 September): 653.e9-653.e17.
  • C. Bonnet, J. Rusz, M. Megrelishvili, T. Sieger, O. Matoušková, M. Okujava, H. Brožová, T. Nikolai, J. Hanuška, M. Kapianidze, N. Mikeladze, N. Botchorishvili, I. Khatiashvili, M. Janelidze, T. Serranová, O. Fiala, J. Roth, J. Bergquist, R. Jech, S. Rivaud-Péchoux, B. Gaymard, E. Růžička. (2014). "Eye Movements in Ephedrone-induced Parkinsonism," PLoS One, 9(8 August): e104784.
  • J. Rusz, M. Megrelishvili, C. Bonnet, M. Okujava, H. Brožová, I. Khatiashvili, M. Sekhniashvili, M. Janelidze, E. Tolosa, E. Růžička. (2014). "A distinct variant of mixed dysarthria reflects parkinsonism and dystonia due to ephedrone abuse," Journal of Neural Transmission, 121(6 June): 655-664.
  • D. Špulák, R. Čmejla, R. Bačáková, B. Kračmar, L. Satrapová, P. Novotný. (2014). "Muscle Activity Detection in Electromyograms Recorded During Periodic Movements," Computers in Biology and Medicine, 47(1 April): 93-103.
  • T. Lustyk, P. Bergl, R. Čmejla. (2014). "Evaluation of disfluent speech by means of automatic acoustic measurements," Journal of the Acoustical Society of America, 135(3 March): 1457-1468.
  • T. Tykalová, J. Rusz, R. Čmejla, H. Růžičková, and E. Růžička. (2014). "Acoustic Investigation of Stress Patterns in Parkinson's Disease," Journal of Voice, 28(1 January): 129.e1-129.e8. 
  • C. Bonnet, J. Hanuška, J. Rusz, S. Rivaud-Péchoux, T. Sieger, V. Majerová, T. Serranová, B. Gaymard, and E. Růžička. (2013). "Horizontal and Vertical Eye Movement Metrics: What´s Important?" Clinical Neurophysiology, 124(11 Novemeber): 2216-2229.
  • J. Rusz, R. Čmejla, T. Tykalová, H. Ružičková, Jiří Klempíř, Veronika Majerová, Jana Picmausová, Jan Roth, and E. Růžička. (2013). "Imprecise vowel articulation as a potential early marker of Parkinson's disease: Effect of speaking task," Journal of the Acoustical Society of America, 134(3 October): 2171-2181.
  • J. Rusz, J. Klempíř, E. Baborová, T. Tykalová, V. Majerová, R. Čmejla, E. Růžička, and J. Roth. (2013). "Objective Acoustic Quantification of Phonatory Dysfunction in Huntington's Disease," PLoS One, 8(6 June): e65881.
  • J. Rusz, R. Čmejla, H. Ružičková, J. Klempíř, V. Majerová, J. Picmausová, J. Roth, and E. Růžička. (2013). "Evaluation of speech impairment in early stages of Parkinson's disease: a prospective study with the role of pharmacotherapy," Journal of Neural Transmission, 120(2 February): 319-329.
  • R. Čmejla, J. Rusz, P. Bergl, and J. Vokřál. (2013). Bayesian changepoint detection for the automatic assessment of fluency and articulatory disorders. Speech Communication, 55(1 January): 178-189.
  • J. Rusz, R. Čmejla, H. Ružičková, J. Klempíř, V. Majerová, J. Picmausová, J. Roth, and E. Růžička. (2011). "Acoustic assessment of voice and speech disorders in Parkinson's disease through quick vocal test," Movement Disorders, 26(10): 1951-1952.
  • J. Kofránek, S. Matoušek, J. Rusz, P. Stodůlka, P. Privitzer, M. Mateják, and M. Tribula. (2011). "The Atlas of Physiology and Pathophysiology: Web-Based Multimedia Enabled Interactive Simulations," Computer Methods and Programs in Biomedicine, 104(2): 143-153.
  • P. Jiruška, P. Marusič, J. G. Jefferys, P. Kršek, R. Čmejla, V. Sebronová, and V. Komárek. (2011). "Sturge-Weber syndrome: a favourable surgical outcome in a case with contralateral seizure onset and myoclonic-astatic seizures," Epileptic Disorders, 13(1): 76-81.
  • J. Rusz, R. Čmejla, H. Ružičková, and E. Růžička. (2011). "Quantitative acoustic measurements for characterization of speech and voice disorders in early untreated Parkinson's disease," Journal of the Acoustical Society of America, 129(1): 350-367.
  • J. Kofránek, and J. Rusz. (2010). "Restoration of Guyton´s Diagram for Regulation of the Circulation as a Basis for Quantitative Physiological Model Development," Physiological Research, 59(6): 897-908.
  • P. Jiruška, G. T. Finnerty, A. D. Powell, N. Lofti, R. Čmejla, and J. G. Jefferys. (2010). "Epileptic high-frequency network activity in a model of non-lesional temporal lobe epilepsy," Brain, 133(5): 1380-1390.

Za obsah odpovídá: doc. Ing. Milan Polívka, Ph.D.