Sound source localisation through active audition

This paper presents a novel method for enabling a robot to determine the direction to a sound source through interacting with its environment. The method uses a new neural network, the Parameter-Less Self-Organizing Map algorithm, and reinforcement learning to achieve rapid and accurate response.

The development of constrained source localisation algorithms for human brain imaging

This work sets out to evaluate the potential benefits and pit-falls in using a priori information to help solve the Magnetoencephalographic (MEG) inverse problem. In chapter one the forward problem in MEG is introduced, together with a scheme that demonstrates how a priori information can be incorporated into the inverse problem. Chapter two contains a literature review of techniques currently used to solve the inverse problem. Emphasis is put on the kind of a priori information that is used by each of these techniques and the ease with which additional constraints can be applied. The formalism of the FOCUSS algorithm is shown to allow for the incorporation of a priori information in an insightful and straightforward manner. In chapter three it is described how anatomical constraints, in the form of a realistically shaped source space, can be extracted from a subject’s Magnetic Resonance Image (MRI). The use of such constraints relies on accurate co-registration of the MEG and MRI co-ordinate systems. Variations of the two main co-registration approaches, based on fiducial markers or on surface matching, are described and the accuracy and robustness of a surface matching algorithm is evaluated. Figures of merit introduced in chapter four are shown to given insight into the limitations of a typical measurement set-up and potential value of a priori information. It is shown in chapter five that constrained dipole fitting and FOCUSS outperform unconstrained dipole fitting when data with low SNR is used. However, the effect of errors in the constraints can reduce this advantage. Finally, it is demonstrated in chapter six that the results of different localisation techniques give corroborative evidence about the location and activation sequence of the human visual cortical areas underlying the first 125ms of the visual magnetic evoked response recorded with a whole head neuromagnetometer.

Topographic mapping and source localization of the pattern onset visual evoked magnetic response

The topography of the visual evoked magnetic response (VEMR) to a pattern onset stimulus was investigated using 4 check sizes and 3 contrast levels. The pattern onset response consists of three early components within the first 200ms, CIm, CIIm and CIIIm. The CIIm is usually of high amplitude and is very consistent in latency within a subject. Half field (HF) stimuli produce their strongest response over the contralateral hemisphere; the RHF stimulus exhibiting a lower positivity (outgoing field) and an upper negativity (ingoing field), rotated towards the midline. LHF stimulation produced the opposite response, a lower negative and an upper positive. Larger check sizes produce a single area of ingoing and outgoing field while smaller checks produce on area of ingoing and outgoing field over each hemisphere. Latency did not appear to vary with change in contrast but amplitudes increased with increasing contrast. A more detailed topographic study incorporating source localisation procedures suggested a source for CIIm - 4cm below the scalp, close to the midline with current flowing towards the lateral surface. Similar depth and position estimates but with opposite polarity were obtained for the pattern shift P100m previously. Hence, the P100m and the CIIm may originate in similar areas of visual cortex but reveal different aspects of visual processing. © 1992 Human Sciences Press, Inc.

Functional localisation of human sensory-motor cortex using magnetoencephalography

The 19 channel Neuromagnetometer system in the Clinical Neurophysiology Unit at Aston University is a multi-channel system, unique in the United Kingdom. A bite bar head localisation and MRI co-registration strategy which enabled accurate and reproducible localisation of MEG data into cortical space was developed. This afforded the opportunity to study magnetic fields of the human cortex generated by stimulation of peripheral nerve, by stimulation of visceral sensory receptors and by those evoked through voluntary finger movement. Initially, a study of sensory-motor evoked data was performed in a healthy control population. The techniques developed were then applied to patients who were to undergo neurosurgical intervention for the treatment of epilepsy and I or space occupying lesions. This enabled both validation of the effective accuracy of source localisation using MEG as well as to determine the clinical value of MEG in presurgical assessment of functional localisation in human cortex. The studies in this thesis have demonstrated that MEG can repeatedly and reliably locate sources contained within a single gyrus and thus potentially differentiate between disparate gyral activation. This ability is critical in the clinical application of any functional imaging technique; which is yet to be fully validated by any other 'non-invasive' functional imaging methodology. The technique was also applied to the study of visceral sensory representation in the cortex which yielded important data about the multiple cortical representation of visceral sensory function.

Can you tell your clunis from your cubitus? A benchmark for functional imaging

Advances in functional brain imaging have allowed the development of new investigative techniques with clinical application—ranging from presurgical mapping of eloquent cortex to identifying cortical regions involved in religious experiences. Similarly a variety of methods are available to referring physicians, ranging from metabolic measures such as functional magnetic resonance imaging and positron emission tomography to measurements based on electrical activity such as electroencephalography and magnetoencephalography. However, there are no universal benchmarks by which to judge between these methods. In this study we attempt to develop a standard for functional localisation, based on the known functional organisation of somatosensory cortex. Studies have shown spatially distinct sites of brain activity in response to stimulation of various body parts. Generally these studies have focused on areas with large cortical representations, such as the index finger and face. We tested the limits of magnetoencephalography source localisation by stimulation of body parts, namely the clunis and the cubitus, that map to proximal and relatively poorly represented regions of somatosensory cortex.

Visual evoked magnetic responses (VEMR) to flash and pattern reversal stimulation

The problems of using a single channel magnetometer (BTi, Model 601) in an unshielded clinical environment to measure visual evoked magnetic responses (VEMR) were studied. VEMR to flash and pattern reversal stimuli were measured in 100 normal subjects. Two components, the P100M to pattern reversal and P2M to flash, were measured successfully in the majority of patients. The mean latencies of these components in different decades of life were more variable than the visual evoked potentials (VEP) that have been recorded to these stimuli. The latency of the P100M appeared to increase significantly after about 55 years of age whereas little change occurred for the flash P2M. The effects of blur, check size, stimulus size and luminance intensity on the latency and amplitude of the VEMR were studied. Blurring a small (32') check significantly increased latency whereas blurring a large (70') check had little effect on latency. Increasing check size significantly reduced latency of the P100M but had little effect on amplitude. Increasing the field size decreases the latency and increases the amplitude of the P100M. Within a normal subject, most of the temporal variability of the P100M appeared to be associated with run to run variation rather than between recording sessions on the same day or between days. Reproducibility of the P100M was improved to a degree by employing a magnetically shielded room. Increasing flash intensity decreases the latency and increases the amplitude of the P2M component. The magnitude of the effects of varying stimulus parameters on the VEMR were frequently greater than is normally seen in the VEP. The topography of the P100M and P2M varied over the scalp in normal subjects. Full field responses to a large check could be explained as approximately the sum of the half field responses and were consistent with the cruciform model of the visual cortex. Preliminary source localisation data suggested a shallower source in the visual cortex for the flash P2M compared with the P100M. The data suggest that suitable protocols could be devised to obtain normative data of sufficient quality to use the VEMR to flash and pattern clinically.

Effective electromagnetic noise cancellation with beamformers and synthetic gradiometry in shielded and partly shielded environments

The major challenge of MEG, the inverse problem, is to estimate the very weak primary neuronal currents from the measurements of extracranial magnetic fields. The non-uniqueness of this inverse solution is compounded by the fact that MEG signals contain large environmental and physiological noise that further complicates the problem. In this paper, we evaluate the effectiveness of magnetic noise cancellation by synthetic gradiometers and the beamformer analysis method of synthetic aperture magnetometry (SAM) for source localisation in the presence of large stimulus-generated noise. We demonstrate that activation of primary somatosensory cortex can be accurately identified using SAM despite the presence of significant stimulus-related magnetic interference. This interference was generated by a contact heat evoked potential stimulator (CHEPS), recently developed for thermal pain research, but which to date has not been used in a MEG environment. We also show that in a reduced shielding environment the use of higher order synthetic gradiometry is sufficient to obtain signal-to-noise ratios (SNRs) that allow for accurate localisation of cortical sensory function.

Robust indoor speaker recognition in a network of audio and video sensors

Situational awareness is achieved naturally by the human senses of sight and hearing in combination. Automatic scene understanding aims at replicating this human ability using microphones and cameras in cooperation. In this paper, audio and video signals are fused and integrated at different levels of semantic abstractions. We detect and track a speaker who is relatively unconstrained, i.e., free to move indoors within an area larger than the comparable reported work, which is usually limited to round table meetings. The system is relatively simple: consisting of just 4 microphone pairs and a single camera. Results show that the overall multimodal tracker is more reliable than single modality systems, tolerating large occlusions and cross-talk. System evaluation is performed on both single and multi-modality tracking. The performance improvement given by the audio–video integration and fusion is quantified in terms of tracking precision and accuracy as well as speaker diarisation error rate and precision–recall (recognition). Improvements vs. the closest works are evaluated: 56% sound source localisation computational cost over an audio only system, 8% speaker diarisation error rate over an audio only speaker recognition unit and 36% on the precision–recall metric over an audio–video dominant speaker recognition method.

Formulation interactive des requêtes pour l’analyse et la compréhension du code source

Nous proposons une approche basée sur la formulation interactive des requêtes. Notre approche sert à faciliter des tâches d’analyse et de compréhension du code source. Dans cette approche, l’analyste utilise un ensemble de filtres de base (linguistique, structurel, quantitatif, et filtre d’interactivité) pour définir des requêtes complexes. Ces requêtes sont construites à l’aide d’un processus interactif et itératif, où des filtres de base sont choisis et exécutés, et leurs résultats sont visualisés, changés et combinés en utilisant des opérateurs prédéfinis. Nous avons évalués notre approche par l’implantation des récentes contributions en détection de défauts de conception ainsi que la localisation de fonctionnalités dans le code. Nos résultats montrent que, en plus d’être générique, notre approche aide à la mise en œuvre des solutions existantes implémentées par des outils automatiques.

Rôle et localisation intraspinale du récepteur B1 des kinines dans la douleur neuropathique

Le récepteur B1 des kinines (RB1) joue un rôle important dans l'inflammation et la nociception. Les sites de liaison du RB1 sont augmentés dans la moelle épinière et le ganglion de la racine dorsale (GRD) chez le rat après la ligature partielle du nerf sciatique (LPNS). Dans ce modèle classique de douleur neuropathique, le traitement aigu avec des antagonistes sélectifs du RB1 renverse l'hyperalgésie thermique mais non pas l’allodynie. Cette étude vise à définir dans ce modèle de LPNS: 1- les effets de traitements aigu et chronique avec des antagonistes du RB1 sur l’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid; 2- la contribution du TRPV1 et du stress oxydatif dans la composante de la douleur neuropathique associée au RB1; 3- l’expression du RB1 au niveau de la moelle épinière lombaire, le GRD et le nerf sciatique par RT-PCR quantitatif (Reverse transcriptase-polymerase chain reaction); 4- la localisation cellulaire du RB1 dans la moelle épinière lombaire par microscopie confocale. L’hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid ont été mesurées par le réflexe de retrait de la patte arrière après l’application à la surface plantaire d’une source radiante de chaleur (méthode Hargreaves), de filaments de Von Frey et d’une goutte d’acétone qui produit une sensation de froid par évaporation. Nous avons montré, dans un premier temps, que l'hyperalgésie thermique et les allodynies tactile et au froid sont renversées par un traitement chronique avec l’antagoniste du RB1, SSR240612, administré par gavage à raison de 10 mg /kg/jr entre le 15 e et le 20 e jour après la ligature du nerf sciatique et par un traitement antioxydant, la N-acétyl-L-cystéine, administrée par gavage à la dose de 1g/kg/jr, 4jours précédant la ligature et pendant les 2 semaines après la ligature. Un traitement aigu avec le ii SSR240612 (10 mg/kg) ou avec un antagoniste du RB1 qui ne traverse pas la barrière hémato-encéphalique, le R-954 (2mg/kg, s.c.), n’a bloqué que l’hyperalgésie thermique. Dans un second temps, l’antagoniste du TRPV1, le SB366791, administré à raison de 1 mg/kg/jr par voie sous-cutanée du j-1 au j-14 a renversé l’allodynie tactile et l’hyperalgésie thermique. De plus, nous avons noté deux semaines après la LPNS, des augmentations significatives des niveaux d'ARNm du RB1 dans la moelle épinière lombaire, le nerf sciatique et le GRD du côté ipsilatéral à la ligature. Ces augmentations ont été renversées par le traitement avec la N-acétyl-L-cystéine et l’antagoniste du TRPV1. Le RB1 a été localisé au niveau des fibres de type C avec le marquage au CGRP (Calcitonin Gene-Related Peptide) et au niveau de la microglie utilisant le marquage au Iba-1 dans la moelle épinière lombaire des rats ayant subi une LPNS, 2 semaines plus tôt. Au terme de cette étude, nous avons suggéré que la surexpression du RB1 sur les fibres de type C contribuerait à l’hyperalgésie thermique alors que le RB1 sur la microglie dans la moelle épinière contribuerait aux allodynies tactile et au froid dans le modèle LPNS chez le rat. Le stress oxydatif pourrait être impliqué dans l’induction du RB1. Bien que le rôle du TRPV1 semble plutôt limité à la douleur thermique, il pourrait cependant agir via le RB1 sur les fibres de type C.

Identification et localisation des préoccupations fonctionnelles dans un code légataire Java

Traditionnellement, les applications orientées objets légataires intègrent différents aspects fonctionnels. Ces aspects peuvent être dispersés partout dans le code. Il existe différents types d’aspects : • des aspects qui représentent des fonctionnalités métiers ; • des aspects qui répondent à des exigences non fonctionnelles ou à d’autres considérations de conception comme la robustesse, la distribution, la sécurité, etc. Généralement, le code qui représente ces aspects chevauche plusieurs hiérarchies de classes. Plusieurs chercheurs se sont intéressés à la problématique de la modularisation de ces aspects dans le code : programmation orientée sujets, programmation orientée aspects et programmation orientée vues. Toutes ces méthodes proposent des techniques et des outils pour concevoir des applications orientées objets sous forme de composition de fragments de code qui répondent à différents aspects. La séparation des aspects dans le code a des avantages au niveau de la réutilisation et de la maintenance. Ainsi, il est important d’identifier et de localiser ces aspects dans du code légataire orienté objets. Nous nous intéressons particulièrement aux aspects fonctionnels. En supposant que le code qui répond à un aspect fonctionnel ou fonctionnalité exhibe une certaine cohésion fonctionnelle (dépendances entre les éléments), nous proposons d’identifier de telles fonctionnalités à partir du code. L’idée est d’identifier, en l’absence des paradigmes de la programmation par aspects, les techniques qui permettent l’implémentation des différents aspects fonctionnels dans un code objet. Notre approche consiste à : • identifier les techniques utilisées par les développeurs pour intégrer une fonctionnalité en l’absence des techniques orientées aspects • caractériser l’empreinte de ces techniques sur le code • et développer des outils pour identifier ces empreintes. Ainsi, nous présentons deux approches pour l’identification des fonctionnalités existantes dans du code orienté objets. La première identifie différents patrons de conception qui permettent l’intégration de ces fonctionnalités dans le code. La deuxième utilise l’analyse formelle de concepts pour identifier les fonctionnalités récurrentes dans le code. Nous expérimentons nos deux approches sur des systèmes libres orientés objets pour identifier les différentes fonctionnalités dans le code. Les résultats obtenus montrent l’efficacité de nos approches pour identifier les différentes fonctionnalités dans du code légataire orienté objets et permettent de suggérer des cas de refactorisation.

Localisation du langage et de la mémoire verbale en magnétoencéphalographie

Dans le cadre de l’évaluation pré-chirurgicale de patients épileptiques, il est impératif de déterminer la spécialisation hémisphérique du langage, ainsi que de localiser les aires du langage au sein de cet hémisphère. De nouvelles méthodes d’évaluation non- invasives doivent être mises au point afin de diminuer les risques associés aux méthodes plus invasives telles que le test à l’amobarbital intracarotidien (TAI). L’objectif principal de cette thèse est donc de développer un protocole d’évaluation pré-chirurgicale alternatif et non-invasif à l’aide de la magnétoencéphalographie (MEG) pour la latéralisation et la localisation du langage, incluant la mémoire verbale qui serait éventuellement accessible à une population pédiatrique francophone épileptique. L’article 1 présente une recension de la littérature résumant les différentes études en MEG ayant pour objectif l’évaluation pré-chirurgicale du langage. Trente-sept articles en MEG ont été analysés pour déterminer quelles tâches permettaient d’obtenir les meilleurs résultats de latéralisation intrahémisphérique et de localisation du langage pour l’évaluation du langage réceptif et expressif chez des sujets neurologiquement sains et épileptiques. Parmi les tests retenus, l’épreuve de reconnaissance de mots permet d’évaluer le langage réceptif et la mémoire verbale, tandis que des épreuves de fluence verbale telles que la génération de verbes permettent d’évaluer le langage expressif de façon à obtenir de très bons résultats. L’article 2 a permis de valider un protocole auprès de sujets neurologiquement sains à l’aide des épreuves identifiées dans l’article 1. Le protocole utilisé comprend une tâche de langage réceptif et de mémoire verbale (une épreuve de reconnaissance de mots) et une tâche de langage expressif (une épreuve de fluence verbale). Suite à la validation du protocole à l’aide d’analyses par composantes principales, les épreuves ont été administrées à un groupe de patients épileptiques. Les index de latéralité et les analyses de sources i révèlent que la MEG permet de localiser et de latéraliser les fonctions langagières et pourrait donc être utilisée comme méthode d'évaluation du langage lors de l'évaluation pré- chirurgicale auprès de patients épileptiques. Toutefois, alors que l’épreuve de mémoire verbale a permis d’obtenir les meilleurs résultats auprès de l’ensemble des participants, l’épreuve de fluence verbale n’a fourni des informations supplémentaires que chez un seul patient et chez aucun participant neurologiquement sain. En résumé, les deux articles de cette thèse démontrent le potentiel clinique de la MEG pour l’évaluation pré-chirurgicale de patients souffrant d’une épilepsie réfractaire.

Localising the auditory N1m with event-related beamformers:localisation accuracy following bilateral and unilateral stimulation

The auditory evoked N1m-P2m response complex presents a challenging case for MEG source-modelling, because symmetrical, phase-locked activity occurs in the hemispheres both contralateral and ipsilateral to stimulation. Beamformer methods, in particular, can be susceptible to localisation bias and spurious sources under these conditions. This study explored the accuracy and efficiency of event-related beamformer source models for auditory MEG data under typical experimental conditions: monaural and diotic stimulation; and whole-head beamformer analysis compared to a half-head analysis using only sensors from the hemisphere contralateral to stimulation. Event-related beamformer localisations were also compared with more traditional single-dipole models. At the group level, the event-related beamformer performed equally well as the single-dipole models in terms of accuracy for both the N1m and the P2m, and in terms of efficiency (number of successful source models) for the N1m. The results yielded by the half-head analysis did not differ significantly from those produced by the traditional whole-head analysis. Any localisation bias caused by the presence of correlated sources is minimal in the context of the inter-individual variability in source localisations. In conclusion, event-related beamformers provide a useful alternative to equivalent-current dipole models in localisation of auditory evoked responses.