A Quantitative analysis of pulsed signals emitted by wild bottlenose dolphins

Common bottlenose dolphins (Tursiops truncatus), produce a wide variety of vocal emissions for communication and echolocation, of which the pulsed repertoire has been the most difficult to categorize. Packets of high repetition, broadband pulses are still largely reported under a general designation of burst-pulses, and traditional attempts to classify these emissions rely mainly in their aural characteristics and in graphical aspects of spectrograms. Here, we present a quantitative analysis of pulsed signals emitted by wild bottlenose dolphins, in the Sado estuary, Portugal (2011-2014), and test the reliability of a traditional classification approach. Acoustic parameters (minimum frequency, maximum frequency, peak frequency, duration, repetition rate and inter-click-interval) were extracted from 930 pulsed signals, previously categorized using a traditional approach. Discriminant function analysis revealed a high reliability of the traditional classification approach (93.5% of pulsed signals were consistently assigned to their aurally based categories). According to the discriminant function analysis (Wilk's Λ = 0.11, F3, 2.41 = 282.75, P < 0.001), repetition rate is the feature that best enables the discrimination of different pulsed signals (structure coefficient = 0.98). Classification using hierarchical cluster analysis led to a similar categorization pattern: two main signal types with distinct magnitudes of repetition rate were clustered into five groups. The pulsed signals, here described, present significant differences in their time-frequency features, especially repetition rate (P < 0.001), inter-click-interval (P < 0.001) and duration (P < 0.001). We document the occurrence of a distinct signal type-short burst-pulses, and highlight the existence of a diverse repertoire of pulsed vocalizations emitted in graded sequences. The use of quantitative analysis of pulsed signals is essential to improve classifications and to better assess the contexts of emission, geographic variation and the functional significance of pulsed signals.

Processing of laser Doppler flowmetry signals from healthy subjects and patients with varicose veins: information categorization approach based on intrinsic mode functions and entropy computation

International audience

The Araucaria dendrochronological network: growth patterns and climatic signals of paraná-pine on the Southern Brazilian plateau.

2016

Bayesian nonparametric learning of contexts and activities from pervasive signals

This thesis develops machine learning techniques to discover activities and contexts from pervasive sensor data. These techniques are especially suitable for streaming sensor data as they can infer the context space automatically. They are applicable in many real world applications such as activity monitoring or organization management.

Distribution entropy analysis of epileptic EEG signals

It is an open-ended challenge to accurately detect the epileptic seizures through electroencephalogram (EEG) signals. Recently published studies have made elaborate attempts to distinguish between the normal and epileptic EEG signals by advanced nonlinear entropy methods, such as the approximate entropy, sample entropy, fuzzy entropy, and permutation entropy, etc. Most recently, a novel distribution entropy (DistEn) has been reported to have superior performance compared with the conventional entropy methods for especially short length data. We thus aimed, in the present study, to show the potential of DistEn in the analysis of epileptic EEG signals. The publicly-accessible Bonn database which consisted of normal, interictal, and ictal EEG signals was used in this study. Three different measurement protocols were set for better understanding the performance of DistEn, which are: i) calculate the DistEn of a specific EEG signal using the full recording; ii) calculate the DistEn by averaging the results for all its possible non-overlapped 5 second segments; and iii) calculate it by averaging the DistEn values for all the possible non-overlapped segments of 1 second length, respectively. Results for all three protocols indicated a statistically significantly increased DistEn for the ictal class compared with both the normal and interictal classes. Besides, the results obtained under the third protocol, which only used very short segments (1 s) of EEG recordings showed a significantly (p <; 0.05) increased DistEn for the interictal class in compassion with the normal class, whereas both analyses using relatively long EEG signals failed in tracking this difference between them, which may be due to a nonstationarity effect on entropy algorithm. The capability of discriminating between the normal and interictal EEG signals is of great clinical relevance since it may provide helpful tools for the detection of a seizure onset. Therefore, our study suggests that the DistEn analysis of EEG signals is very promising for clinical and even portable EEG monitoring.

Robust time-spread echo watermarking using characteristics of host signals

A robust audio watermarking method based on the time-spread (TS) echo hiding scheme is proposed. Compared with existing TS watermarking methods, the approach is more robust as it exploits the characteristics of host signals in the encoding stage. Theoretical analysis and simulation examples demonstrate the effectiveness and advantages of the method.

Pattern recognition methods for EMG prosthetic control

In this work we focus on pattern recognition methods related to EMG upper-limb prosthetic control. After giving a detailed review of the most widely used classification methods, we propose a new classification approach. It comes as a result of comparison in the Fourier analysis between able-bodied and trans-radial amputee subjects. We thus suggest a different classification method which considers each surface electrodes contribute separately, together with five time domain features, obtaining an average classification accuracy equals to 75% on a sample of trans-radial amputees. We propose an automatic feature selection procedure as a minimization problem in order to improve the method and its robustness.

Paleoenvironments and Geochemical Signals from the Late Barremian to the Middle Aptian in a Tethyan Marginal Basin, Northeast Spain: Implications for Carbon Sequestration in Restricted Basins

The hallmark of oceanic anoxic event 1a (OAE1a) (early Aptian ~125 Ma) corresponds to worldwide deposition of black shales with total organic carbon (TOC) content > 2% and a d13C positive excursion up to ~5‰. OAE1a has been related to large igneous province volcanism and dissociation of methane hydrates during the Lower Cretaceous. However, the occurrence of atypical, coeval and diachronous organic-rich deposits associated with OAE1a, which are also characterized by positive spikes of the d13C in epicontinental to restricted marine environments of the Tethys Ocean, indicates localized responses decoupled from complex global forcing factors. The present research is a high-resolution, multiproxy approach to assess the paleoenvironmental conditions that led to enhanced carbon sequestration from the late Barremian to the middle Aptian in a restricted, Tethyan marginal basin prior to and during OAE1a. I studied the lower 240 m of the El Pui section, Organyà Basin, Spanish Pyrenees. The basin developed as the result of extensional tectonism linked to the opening of the Atlantic Ocean. At the field scale the section consists of a sequence of alternating beds of cm – m-scale, medium-gray to grayish-black limestones and marlstones with TOC up to ~4%. The results indicate that the lowest 85 m of the section, from latest Barremian –earliest Aptian, characterize a deepening phase of the basin concomitant with sustained riverine flux and intensified primary productivity. These changes induced a shift in the sedimentation pattern and decreased the oxygen levels in the water column through organic matter respiration and limited ventilation of the basin. The upper 155 m comprising the earliest – late-early Aptian document the occurrence of OAE1a and its associated geochemical signatures (TOC up to 3% and a positive shift in d13C of ~5‰). However, a low enrichment of redox-sensitive trace elements indicates that the basin did not achieve anoxic conditions. The results also suggest that a shallower-phase of the basin, coeval with platform progradation, may have increased ventilation of the basin at the same time that heightened sedimentation rates and additional input of organic matter from terrestrial sources increased the burial and preservation rate of TOC in the sediment.

Support vector machines to detect physiological patterns for EEG and EMG-based human-computer interaction:a review

Support Vector Machines (SVMs) are widely used classifiers for detecting physiological patterns in Human-Computer Interaction (HCI). Their success is due to their versatility, robustness and large availability of free dedicated toolboxes. Frequently in the literature, insufficient details about the SVM implementation and/or parameters selection are reported, making it impossible to reproduce study analysis and results. In order to perform an optimized classification and report a proper description of the results, it is necessary to have a comprehensive critical overview of the application of SVM. The aim of this paper is to provide a review of the usage of SVM in the determination of brain and muscle patterns for HCI, by focusing on electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) techniques. In particular, an overview of the basic principles of SVM theory is outlined, together with a description of several relevant literature implementations. Furthermore, details concerning reviewed papers are listed in tables, and statistics of SVM use in the literature are presented. Suitability of SVM for HCI is discussed and critical comparisons with other classifiers are reported.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.

Harnessing bacterial signals for suppression of biofilm formation in the nosocomial fungal pathogen Aspergillus fumigatus

Faced with the continued emergence of antibiotic resistance to all known classes of antibiotics, a paradigm shift in approaches toward antifungal therapeutics is required. Well characterized in a broad spectrum of bacterial and fungal pathogens, biofilms are a key factor in limiting the effectiveness of conventional antibiotics. Therefore, therapeutics such as small molecules that prevent or disrupt biofilm formation would render pathogens susceptible to clearance by existing drugs. This is the first report describing the effect of the Pseudomonas aeruginosa alkylhydroxyquinolone interkingdom signal molecules 2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone and 2-heptyl-4-quinolone on biofilm formation in the important fungal pathogen Aspergillus fumigatus. Decoration of the anthranilate ring on the quinolone framework resulted in significant changes in the capacity of these chemical messages to suppress biofilm formation. Addition of methoxy or methyl groups at the C5–C7 positions led to retention of anti-biofilm activity, in some cases dependent on the alkyl chain length at position C2. In contrast, halogenation at either the C3 or C6 positions led to loss of activity, with one notable exception. Microscopic staining provided key insights into the structural impact of the parent and modified molecules, identifying lead compounds for further development.

Singularity and multifractal characterization of signals with wavelets. Application to clay soil images

In the field of multiscale analysis of signals, including images, the wavelet transform is one of the most attractive and powerful tool due to its ability to focus on signals structures at different scales. Wavelet Transform at different scales is successfully applied to image characterization (which can be applied to a watermarking scheme) and multiscale singularity detection and processing. In this work we show further research of computation of multifractals properties such as the multifractal spectrum (D(alpha)) applied to dye stained images of natural terrain. This can be useful for statically describing preferential flow path geometry.

A simultaneous extraction of context and community from pervasive signals using nested dirichlet process

Understanding user contexts and group structures plays a central role in pervasive computing. These contexts and community structures are complex to mine from data collected in the wild due to the unprecedented growth of data, noise, uncertainties and complexities. Typical existing approaches would first extract the latent patterns to explain human dynamics or behaviors and then use them as a way to consistently formulate numerical representations for community detection, often via a clustering method. While being able to capture high-order and complex representations, these two steps are performed separately. More importantly, they face a fundamental difficulty in determining the correct number of latent patterns and communities. This paper presents an approach that seamlessly addresses these challenges to simultaneously discover latent patterns and communities in a unified Bayesian nonparametric framework. Our Simultaneous Extraction of Context and Community (SECC) model roots in the nested Dirichlet process theory which allows a nested structure to be built to summarize data at multiple levels. We demonstrate our framework on five datasets where the advantages of the proposed approach are validated.

Investigating relative respiratory effort signals during mixed sleep apnea using photoplethysmogram

Sleep disordered breathing does show different types of events. These are obstructive apnea events, central apnea events and mixed sleep apnea (MSA) which have a central component with a pause in airflow without respiratory effort followed by an obstructive component with respiratory effort. The esophageal pressure (Pes) is the accurate method to assess respiratory effort. The aim of the present study is to investigate whether the features extracted from photo-plethysmogram (PPG) could relate with the changes in Pes during MSA. Therefore, Pes and PPG signals during 65 pre-scored MSA events and 10 s preceding the events were collected from 8 patients. Pulse intervals (PPI), Pulse wave amplitudes (PWA) and wavelet decomposition (Wv) of PPG signals at level 8 (0.15-0.32 Hz) were derived from PPG signals. Results show that significant correlations (r = 0.63, p < 0.01; r = 0.42, p < 0.05; r = 0.8, p < 0.01 for OSA part) were found between reductions in Pes and that in PPG based surrogate respiratory signals PPI, PWA and Wv. Results suggest that PPG based relative respiratory effort signal can be considered as an alternative to Pes as a means of measuring changes in inspiratory effort when scoring OSA and CSA parts of MSA events.

Modifications in Early Rehabilitation Protocol after Rotator Cuff Repair : EMG Studies

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule.