Evaluación de la contribución y el impacto de las tecnologías del habla en la detección automática del Síndrome de la Apnea Obstructiva del Sueño = Contributions and impact assessment of speech technologies on the automatic detection of severe Obstructive Sleep Apnea syndrome

La presente Tesis analiza las posibilidades que ofrecen en la actualidad las tecnologías del habla para la detección de patologías clínicas asociadas a la vía aérea superior. El estudio del habla que tradicionalmente cubre tanto la producción como el proceso de transformación del mensaje y las señales involucradas, desde el emisor hasta alcanzar al receptor, ofrece una vía de estudio alternativa para estas patologías. El hecho de que la señal emitida no solo contiene este mensaje, sino también información acerca del locutor, ha motivado el desarrollo de sistemas orientados a la identificación y verificación de la identidad de los locutores. Estos trabajos han recibido recientemente un nuevo impulso, orientándose tanto hacia la caracterización de rasgos que son comunes a varios locutores, como a las diferencias existentes entre grabaciones de un mismo locutor. Los primeros resultan especialmente relevantes para esta Tesis dado que estos rasgos podrían evidenciar la presencia de características relacionadas con una cierta condición común a varios locutores, independiente de su identidad. Tal es el caso que se enfrenta en esta Tesis, donde los rasgos identificados se relacionarían con una de la patología particular y directamente vinculada con el sistema de físico de conformación del habla. El caso del Síndrome de Apneas Hipopneas durante el Sueno (SAHS) resulta paradigmático. Se trata de una patología con una elevada prevalencia mundo, que aumenta con la edad. Los pacientes de esta patología experimentan episodios de cese involuntario de la respiración durante el sueño, que se prolongan durante varios segundos y que se reproducen a lo largo de la noche impidiendo el correcto descanso. En el caso de la apnea obstructiva, estos episodios se deben a la imposibilidad de mantener un camino abierto a través de la vía aérea, de forma que el flujo de aire se ve interrumpido. En la actualidad, el diagnostico de estos pacientes se realiza a través de un estudio polisomnográfico, que se centra en el análisis de los episodios de apnea durante el sueño, requiriendo que el paciente permanezca en el hospital durante una noche. La complejidad y el elevado coste de estos procedimientos, unidos a las crecientes listas de espera, han evidenciado la necesidad de contar con técnicas rápidas de detección, que si bien podrían no obtener tasas tan elevadas, permitirían reorganizar las listas de espera en función del grado de severidad de la patología en cada paciente. Entre otros, los sistemas de diagnostico por imagen, así como la caracterización antropométrica de los pacientes, han evidenciado la existencia de patrones anatómicos que tendrían influencia directa sobre el habla. Los trabajos dedicados al estudio del SAHS en lo relativo a como esta afecta al habla han sido escasos y algunos de ellos incluso contradictorios. Sin embargo, desde finales de la década de 1980 se conoce la existencia de patrones específicos relativos a la articulación, la fonación y la resonancia. Sin embargo, su descripción resultaba difícilmente aprovechable a través de un sistema de reconocimiento automático, pero apuntaba la existencia de un nexo entre voz y SAHS. En los últimos anos las técnicas de procesado automático han permitido el desarrollo de sistemas automáticos que ya son capaces de identificar diferencias significativas en el habla de los pacientes del SAHS, y que los distinguen de los locutores sanos. Por contra, poco se conoce acerca de la conexión entre estos nuevos resultados, los sé que habían obtenido en el pasado y la patogénesis del SAHS. Esta Tesis continua la labor desarrollada en este ámbito considerando específicamente: el estudio de la forma en que el SAHS afecta el habla de los pacientes, la mejora en las tasas de clasificación automática y la combinación de la información obtenida con los predictores utilizados por los especialistas clínicos en sus evaluaciones preliminares. Las dos primeras tareas plantean problemas simbióticos, pero diferentes. Mientras el estudio de la conexión entre el SAHS y el habla requiere de modelos acotados que puedan ser interpretados con facilidad, los sistemas de reconocimiento se sirven de un elevado número de dimensiones para la caracterización y posterior identificación de patrones. Así, la primera tarea debe permitirnos avanzar en la segunda, al igual que la incorporación de los predictores utilizados por los especialistas clínicos. La Tesis aborda el estudio tanto del habla continua como del habla sostenida, con el fin de aprovechar las sinergias y diferencias existentes entre ambas. En el análisis del habla continua se tomo como punto de partida un esquema que ya fue evaluado con anterioridad, y sobre el cual se ha tratado la evaluación y optimización de la representación del habla, así como la caracterización de los patrones específicos asociados al SAHS. Ello ha evidenciado la conexión entre el SAHS y los elementos fundamentales de la señal de voz: los formantes. Los resultados obtenidos demuestran que el éxito de estos sistemas se debe, fundamentalmente, a la capacidad de estas representaciones para describir dichas componentes, obviando las dimensiones ruidosas o con poca capacidad discriminativa. El esquema resultante ofrece una tasa de error por debajo del 18%, sirviéndose de clasificadores notablemente menos complejos que los descritos en el estado del arte y de una única grabación de voz de corta duración. En relación a la conexión entre el SAHS y los patrones observados, fue necesario considerar las diferencias inter- e intra-grupo, centrándonos en la articulación característica del locutor, sustituyendo los complejos modelos de clasificación por el estudio de los promedios espectrales. El resultado apunta con claridad hacia ciertas regiones del eje de frecuencias, sugiriendo la existencia de un estrechamiento sistemático en la sección del tracto en la región de la orofaringe, ya prevista en la patogénesis de este síndrome. En cuanto al habla sostenida, se han reproducido los estudios realizados sobre el habla continua en grabaciones de la vocal /a/ sostenida. Los resultados son cualitativamente análogos a los anteriores, si bien en este caso las tasas de clasificación resultan ser más bajas. Con el objetivo de identificar el sentido de este resultado se reprodujo el estudio de los promedios espectrales y de la variabilidad inter e intra-grupo. Ambos estudios mostraron importantes diferencias con los anteriores que podrían explicar estos resultados. Sin embargo, el habla sostenida ofrece otras oportunidades al establecer un entorno controlado para el estudio de la fonación, que también había sido identificada como una fuente de información para la detección del SAHS. De su estudio se pudo observar que, en el conjunto de datos disponibles, no existen variaciones que pudieran asociarse fácilmente con la fonación. Únicamente aquellas dimensiones que describen la distribución de energía a lo largo del eje de frecuencia evidenciaron diferencias significativas, apuntando, una vez más, en la dirección de las resonancias espectrales. Analizados los resultados anteriores, la Tesis afronta la fusión de ambas fuentes de información en un único sistema de clasificación. Con ello es posible mejorar las tasas de clasificación, bajo la hipótesis de que la información presente en el habla continua y el habla sostenida es fundamentalmente distinta. Esta tarea se realizo a través de un sencillo esquema de fusión que obtuvo un 88.6% de aciertos en clasificación (tasa de error del 11.4%), lo que representa una mejora significativa respecto al estado del arte. Finalmente, la combinación de este clasificador con los predictores utilizados por los especialistas clínicos ofreció una tasa del 91.3% (tasa de error de 8.7%), que se encuentra dentro del margen ofrecido por esquemas más costosos e intrusivos, y que a diferencia del propuesto, no pueden ser utilizados en la evaluación previa de los pacientes. Con todo, la Tesis ofrece una visión clara sobre la relación entre el SAHS y el habla, evidenciando el grado de madurez alcanzado por la tecnología del habla en la caracterización y detección del SAHS, poniendo de manifiesto que su uso para la evaluación de los pacientes ya sería posible, y dejando la puerta abierta a futuras investigaciones que continúen el trabajo aquí iniciado. ABSTRACT This Thesis explores the potential of speech technologies for the detection of clinical disorders connected to the upper airway. The study of speech traditionally covers both the production process and post processing of the signals involved, from the speaker up to the listener, offering an alternative path to study these pathologies. The fact that utterances embed not just the encoded message but also information about the speaker, has motivated the development of automatic systems oriented to the identification and verificaton the speaker’s identity. These have recently been boosted and reoriented either towards the characterization of traits that are common to several speakers, or to the differences between records of the same speaker collected under different conditions. The first are particularly relevant to this Thesis as these patterns could reveal the presence of features that are related to a common condition shared among different speakers, regardless of their identity. Such is the case faced in this Thesis, where the traits identified would relate to a particular pathology, directly connected to the speech production system. The Obstructive Sleep Apnea syndrome (OSA) is a paradigmatic case for analysis. It is a disorder with high prevalence among adults and affecting a larger number of them as they grow older. Patients suffering from this disorder experience episodes of involuntary cessation of breath during sleep that may last a few seconds and reproduce throughout the night, preventing proper rest. In the case of obstructive apnea, these episodes are related to the collapse of the pharynx, which interrupts the air flow. Currently, OSA diagnosis is done through a polysomnographic study, which focuses on the analysis of apnea episodes during sleep, requiring the patient to stay at the hospital for the whole night. The complexity and high cost of the procedures involved, combined with the waiting lists, have evidenced the need for screening techniques, which perhaps would not achieve outstanding performance rates but would allow clinicians to reorganize these lists ranking patients according to the severity of their condition. Among others, imaging diagnosis and anthropometric characterization of patients have evidenced the existence of anatomical patterns related to OSA that have direct influence on speech. Contributions devoted to the study of how this disorder affects scpeech are scarce and somehow contradictory. However, since the late 1980s the existence of specific patterns related to articulation, phonation and resonance is known. By that time these descriptions were virtually useless when coming to the development of an automatic system, but pointed out the existence of a link between speech and OSA. In recent years automatic processing techniques have evolved and are now able to identify significant differences in the speech of OSAS patients when compared to records from healthy subjects. Nevertheless, little is known about the connection between these new results with those published in the past and the pathogenesis of the OSA syndrome. This Thesis is aimed to progress beyond the previous research done in this area by addressing: the study of how OSA affects patients’ speech, the enhancement of automatic OSA classification based on speech analysis, and its integration with the information embedded in the predictors generally used by clinicians in preliminary patients’ examination. The first two tasks, though may appear symbiotic at first, are quite different. While studying the connection between speech and OSA requires simple narrow models that can be easily interpreted, classification requires larger models including a large number dimensions for the characterization and posterior identification of the observed patterns. Anyhow, it is clear that any progress made in the first task should allow us to improve our performance on the second one, and that the incorporation of the predictors used by clinicians shall contribute in this same direction. The Thesis considers both continuous and sustained speech analysis, to exploit the synergies and differences between them. On continuous speech analysis, a conventional speech processing scheme, designed and evaluated before this Thesis, was taken as a baseline. Over this initial system several alternative representations of the speech information were proposed, optimized and tested to select those more suitable for the characterization of OSA-specific patterns. Evidences were found on the existence of a connection between OSA and the fundamental constituents of the speech: the formants. Experimental results proved that the success of the proposed solution is well explained by the ability of speech representations to describe these specific OSA-related components, ignoring the noisy ones as well those presenting low discrimination capabilities. The resulting scheme obtained a 18% error rate, on a classification scheme significantly less complex than those described in the literature and operating on a single speech record. Regarding the connection between OSA and the observed patterns, it was necessary to consider inter-and intra-group differences for this analysis, and to focus on the articulation, replacing the complex classification models by the long-term average spectra. Results clearly point to certain regions on the frequency axis, suggesting the existence of a systematic narrowing in the vocal tract section at the oropharynx. This was already described in the pathogenesis of this syndrome. Regarding sustained speech, similar experiments as those conducted on continuous speech were reproduced on sustained phonations of vowel / a /. Results were qualitatively similar to the previous ones, though in this case perfomance rates were found to be noticeably lower. Trying to derive further knowledge from this result, experiments on the long-term average spectra and intraand inter-group variability ratios were also reproduced on sustained speech records. Results on both experiments showed significant differences from the previous ones obtained from continuous speech which could explain the differences observed on peformance. However, sustained speech also provided the opportunity to study phonation within the controlled framework it provides. This was also identified in the literature as a source of information for the detection of OSA. In this study it was found that, for the available dataset, no sistematic differences related to phonation could be found between the two groups of speakers. Only those dimensions which relate energy distribution along the frequency axis provided significant differences, pointing once again towards the direction of resonant components. Once classification schemes on both continuous and sustained speech were developed, the Thesis addressed their combination into a single classification system. Under the assumption that the information in continuous and sustained speech is fundamentally different, it should be possible to successfully merge the two of them. This was tested through a simple fusion scheme which obtained a 88.6% correct classification (11.4% error rate), which represents a significant improvement over the state of the art. Finally, the combination of this classifier with the variables used by clinicians obtained a 91.3% accuracy (8.7% error rate). This is within the range of alternative, but costly and intrusive schemes, which unlike the one proposed can not be used in the preliminary assessment of patients’ condition. In the end, this Thesis has shed new light on the underlying connection between OSA and speech, and evidenced the degree of maturity reached by speech technology on OSA characterization and detection, leaving the door open for future research which shall continue in the multiple directions that have been pointed out and left as future work.

Gordon Matta-Clark a través de Rem Koolhaas : adición a través de eliminación

Gordon Matta-Clark es el origen de la presente investigación. Su obra, de total actualidad, ha ido ganando interés entre la comunidad de arquitectos, si bien su dimensión teórica se ha visto a menudo eclipsada por el poderoso atractivo de sus aberturas, cortes y extracciones. Son muchos los investigadores que detectan una carencia en el estudio de su corpus de pensamiento desde el campo de la crítica arquitectónica a la que está inevitablemente vinculado, a pesar de haber puesto en marcha una potente maquinaria de criticismo. Se constata a su vez la problemática existente al construir dialécticas entre la obra de Gordon Matta-Clark y el ámbito de la práctica arquitectónica. Surgen áreas forzadas de reflexión al elevar ambas esferas al mismo plano, achacado a un desconocimiento de las motivaciones críticas e históricas del proyecto del arquitecto. Aparece de modo recurrente un intento por establecer una dialéctica que, sin embargo, es relegada constantemente a una colección de notas al pie de página: Rem Koolhaas es sesgadamente mencionado por la crítica como el digno continuador accidental de las teorías de Gordon Matta-Clark. Se inicia así la construcción de una dialéctica que permanece aún sin resolver. Rem Koolhaas, en una entrevista en la que vierte su opinión sobre Gordon Matta-Clark, lo considera el precursor accidental de su ‘estrategia de vacío’, reconociendo en su trabajo procesos de adición a través de eliminación como método de creación de espacio arquitectónico. Una visión incisiva que desdeña su faceta de artista destructor destacando su habilidad para inocular el vacío mediante el empleo de herramientas de adición a través de eliminación. Estas premisas dan lugar de forma automática a la hipótesis de partida: la formalización de una investigación que llene ese vacío estableciendo un fuego cruzado entre ambos arquitectos, los cuales comparten de manera fortuita época y escenarios. El discurso de Rem Koolhaas iluminará el pensamiento de Gordon Matta-Clark vinculando sus respectivas plataformas de producción teórica, construyendo un espacio metafórico común en torno a la palabra y la imagen, herramientas que ambos manejan con habilidad y fluidez. Las propuestas del grupo Anarchitecture y las Art Cards o recortes anárquicos de soliloquios mattaclarkianos encuentran su réplica en el diccionario de términos e imágenes “Small, Medium, Large, Extra-Large”, descrito por Rem Koolhaas como una acumulación de palabras e imágenes que ilumina la condición de la arquitectura actual. La investigación establece una profusa asociación de ideas, imágenes y parlamentos que navegan en el universo referencial de Rem Koolhaas aportando una nueva visión sobre la dimensión crítica de Gordon Matta-Clark. Una visión poliédrica alrededor de cinco conceptos clave y un glosario de estrategias de proyecto que abren nuevos umbrales en los que la adición a través de la eliminación se repite hasta la saciedad transformado en mantra arquitectónico. ABSTRACT The present research finds its origins in Gordon Matta-Clark. His work, still relevant today, has been gaining interest within the community of architects, although its theoretical dimension has often been overshadowed by the powerful attraction of his openings, cuts and extractions. Many researchers detect a lack in the study of his body of thought from the field of architectural criticism to which he is inevitably associated, despite having launched a powerful machinery of criticism. It is noted at the same time the problem appeared when different dialectics between the work of Gordon Matta-Clark and the field of architectural practice are established. Forced areas of thought emerge when both fields are observed from the same point of view, derived from a lack of knowledge of the critical and historical motivations of the architect project. An attempt to establish a dialectical relationship with another architect appears recurrently in different books and writings. However it is steadily consigned to a collection of insignificant footnotes: the critics mention Rem Koolhaas as the worthy accidental successor of the theories of Gordon Matta-Clark. The construction of a dialectic that remains unresolved begins at this point. Gordon Matta-Clark is considered by Rem Koolhaas the accidental predecessor of his ‘strategy of emptiness’ -in an interview in which he pours his opinion on him- recognizing processes of addition through elimination in the work of Matta-Clark as a method of building architectural space. Rem Koolhaas rejects his role as destructor artist highlighting his ability to inoculate the emptiness by using addition tools through elimination. These premises lead us automatically to the hypothesis of the research: the formalization of research that will fill the emptiness by setting a crossfire between both architects, who share by chance the same scenarios and time. The discourse given by Rem Koolhaas illuminates Gordon Matta-Clark´s thought by linking their respective theoretical work platforms, building a common metaphorical space around word and image as tools managed by both of them with expertise and fluency. The Anarchitecture proposals and the Art Cards -anarchic cuts of Matta-Clark´s thought- find its counterpart in the dictionary of terms and images included in “Small, Medium, Large, Extra- Large”, described by Rem Koolhaas as an accumulation of words and images that illuminates the condition of architecture today. The research provides a wide range of associations of ideas, images and discussions around the universe of references of Rem Koolhaas, offering a new insight into the critical dimension of the work of Gordon Matta-Clark. A multifaceted vision around five key concepts and a glossary of project strategies that opens up new thresholds in which addition through elimination is repeated endlessly becoming an architectural mantra.

Modelling oxygen diffusion and cell growth in a porous, vascularising scaffold for soft tissue engineering applications

Soft tissue engineering presents significant challenges compared to other tissue engineering disciplines such as bone, cartilage or skin engineering. The very high cell density in most soft tissues, often combined with large implant dimensions, means that the supply of oxygen is a critical factor in the success or failure of a soft tissue scaffold. A model is presented for oxygen diffusion in a 15-60 mm diameter dome-shaped scaffold fed by a blood vessel loop at its base. This model incorporates simple models for vascular growth, cell migration and the effect of cell density on the effective oxygen diffusivity. The model shows that the dynamic, homogeneous cell seeding method often employed in small-scale applications is not applicable in the case of larger scale scaffolds such as these. Instead, we propose the implantation of a small biopsy of tissue close to a blood supply within the scaffold as a technique more likely to be successful. Crown Copyright (c) 2005 Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Household "ethnoscapes" and rite of passage: meaning and chronicity of the diagnosis in schizophrenia

Based on the results of an ethnographic study with people diagnosed with schizophrenia and their relatives in Barcelona and Tarragona along one year, I problematize the transformation of roles and relationships inside the household from the first burst and the assignation of a diagnosis as rite of passage. I appeal to a cultural interpretation of family, understanding the family group as a specific ethnoscape. I analyze the chronicity meaning, and its consequences in the conformation of the “role of sick person” in the context of parental relationships. I also discuss the paradoxes in terms of autonomy for the affected persons because of the projection of cultural connotation of chronicity.

Scalar field dark matter and the Higgs field

We discuss the possibility that dark matter corresponds to an oscillating scalar field coupled to the Higgs boson. We argue that the initial field amplitude should generically be of the order of the Hubble parameter during inflation, as a result of its quasi-de Sitter fluctuations. This implies that such a field may account for the present dark matter abundance for masses in the range 10^-6 - 10^-4 eV, if the tensor-to-scalar ratio is within the range of planned CMB experiments. We show that such mass values can naturally be obtained through either Planck-suppressed non-renormalizable interactions with the Higgs boson or, alternatively, through renormalizable interactions within the Randall–Sundrum scenario, where the dark matter scalar resides in the bulk of the warped extra-dimension and the Higgs is confined to the infrared brane.

Numerical simulation of strain-adaptive bone remodelling in the ankle joint

Background: The use of artificial endoprostheses has become a routine procedure for knee and hip joints while ankle arthritis has traditionally been treated by means of arthrodesis. Due to its advantages, the implantation of endoprostheses is constantly increasing. While finite element analyses (FEA) of strain-adaptive bone remodelling have been carried out for the hip joint in previous studies, to our knowledge there are no investigations that have considered remodelling processes of the ankle joint. In order to evaluate and optimise new generation implants of the ankle joint, as well as to gain additional knowledge regarding the biomechanics, strain-adaptive bone remodelling has been calculated separately for the tibia and the talus after providing them with an implant. Methods: FE models of the bone-implant assembly for both the tibia and the talus have been developed. Bone characteristics such as the density distribution have been applied corresponding to CT scans. A force of 5,200 N, which corresponds to the compression force during normal walking of a person with a weight of 100 kg according to Stauffer et al., has been used in the simulation. The bone adaptation law, previously developed by our research team, has been used for the calculation of the remodelling processes. Results: A total bone mass loss of 2% in the tibia and 13% in the talus was calculated. The greater decline of density in the talus is due to its smaller size compared to the relatively large implant dimensions causing remodelling processes in the whole bone tissue. In the tibia, bone remodelling processes are only calculated in areas adjacent to the implant. Thus, a smaller bone mass loss than in the talus can be expected. There is a high agreement between the simulation results in the distal tibia and the literature regarding. Conclusions: In this study, strain-adaptive bone remodelling processes are simulated using the FE method. The results contribute to a better understanding of the biomechanical behaviour of the ankle joint and hence are useful for the optimisation of the implant geometry in the future.

Landau-Gutzwiller quasi-particles

We define Landau quasiparticles within the Gutzwiller variational theory and derive their dispersion relation for general multiband Hubbard models in the limit of large spatial dimensions D. Thereby we reproduce our previous calculations which were based on a phenomenological effective single-particle Hamiltonian. For the one-band Hubbard model we calculate the frst-order corrections in 1/D and find that the corrections to the quasiparticle dispersions are small in three dimensions. They may be largely absorbed in a rescaling of the total bandwidth, unless the system is close to half band filling. Therefore, the Gutzwiller theory in the limit of large dimensions provides quasiparticle bands which are suitable for a comparison with real, three-dimensional Fermi liquids.

Les carrières de grès calcaire tyrrhénien à Korba et ses environs (Cap Bon, Tunisie): pour une meilleure connaissance et valorisation des atouts patrimoniaux, paysagers et environnementaux

(Introdução): Après une formation en architecture, la participation au Master TPTI a été une occasion précieuse pour acquérir de nouvelles connaissances, théoriques et pratiques, en rapport avec l'histoire, le patrimoine et l’environnement dans son sens le plus large. Ces dimensions ont souvent été d’un grand apport pour bien des oeuvres et interventions architecturales et leur ont permis de convaincre et de s’imposer au temps. Elles occupent également une place devenue de plus en plus importante dans la réflexion sur bien des sujets dont la gestion territoriale et l’exploitation des ressources naturelles. Leur considération favorise des approches intégrées et est même indispensable pour toute oeuvre ou intervention visant la durabilité. Elle est, en tout cas, indispensable pour l’étude d’un thème comme celui des friches liées à l’exploitation des ressources naturelles, que nous tentons d’aborder dans ce mémoire à travers le cas des carrières de grès-calcaire des environs de la ville de Korba, en Tunisie. En effet, par ses enseignements variées et pluridisciplinaires, le Master TPTI, nous a offert une ouverture sur l'histoire et l'anthropologie des techniques ainsi que la conservation, la gestion et la valorisation du patrimoine industriel, historique et culturel. En plus des séminaires et des contacts directs avec des professionnels de différents domaines et pays, une place importante a été accordée aux visites de terrains. A tout cela s'ajoute une mobilité de spécialité, qui dans notre cas, a eu lieu au Département d'Economie à l'Université d'Alicante. Le premier volet de ce mémoire sera consacré au projet personnel qui traite, comme évoqué plus haut, des carrières de Korba et ses environs. Il est le fruit d'un travail au cours duquel nous avons essayé, sur les deux années du Master, de tirer profit des différents enseignements dispensés afin d’enrichir notre réflexion sur le thème.