Étude préliminaire de détection et classification des sons de la déglutition

Preliminary study for detection and classification of swallowing sound

• Auteur / Autrice : Hajer Khlaifi
• Direction : Jacques Demongeot, Dhafer Malouche, Dan Mircea Istrate
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Bioingénierie et Sciences et Technologies de l’Information et des Systèmes : Unité de Recherche Biomécanique et Bio-ingénierie (UMR-7338)
• Date : Soutenance le 21/05/2019
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biomécanique et Bioingéniérie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles de Markov cachés

Modèles de mélanges gaussiens

Algorithmes

Temps réel (informatique)

Monitorage médical

Capteurs (technologie)

Biocapteurs

Classification automatique

Ondes sonores

Son

Détection du signal

Traitement du signal

Ondelettes

Troubles de la déglutition

Déglutition

Mots clés libres

Décomposition en ondelettes

Sons déglutitoires

GMM

HMM

Wavelet decomposition

Signal processing

Detection

Classification

Swallowing

Deglutition disorders

Sound

Gaussian mixtures models (GMM)

Hidden Markov models (HMM)

Biosensors

Résumé

Les maladies altérant le processus de la déglutition sont multiples, affectant la qualité de vie du patient et sa capacité de fonctionner en société. La nature exacte et la gravité des changements post/pré-traitement dépendent de la localisation de l’anomalie. Une réadaptation efficace de la déglutition, cliniquement parlant, dépend généralement de l’inclusion d’une évaluation vidéo-fluoroscopique de la déglutition du patient dans l’évaluation post-traitement des patients en risque de fausse route. La restriction de cette utilisation est due au fait qu’elle est très invasive, comme d’autres moyens disponibles, tels que la fibre optique endoscopique. Ces méthodes permettent d’observer le déroulement de la déglutition et d’identifier les lieux de dysfonctionnement, durant ce processus, avec une précision élevée. "Mieux vaut prévenir que guérir" est le principe de base de la médecine en général. C’est dans ce contexte que se situe ce travail de thèse pour la télésurveillance des malades et plus spécifiquement pour suivre l’évolution fonctionnelle du processus de la déglutition chez des personnes à risques dysphagiques, que ce soit à domicile ou bien en institution, en utilisant le minimum de capteurs non-invasifs. C’est pourquoi le principal signal traité dans ce travail est le son. La principale problématique du traitement du signal sonore est la détection automatique du signal utile du son, étape cruciale pour la classification automatique de sons durant la prise alimentaire, en vue de la surveillance automatique. L’étape de la détection du signal utile permet de réduire la complexité du système d’analyse sonore. Les algorithmes issus de l’état de l’art traitant la détection du son de la déglutition dans le bruit environnemental n’ont pas montré une bonne performance. D’où l’idée d’utiliser un seuil adaptatif sur le signal, résultant de la décomposition en ondelettes. Les problématiques liées à la classification des sons en général et des sons de la déglutition en particulier sont abordées dans ce travail avec une analyse hiérarchique, qui vise à identifier dans un premier temps les segments de sons de la déglutition, puis à le décomposer en trois sons caractéristiques, ce qui correspond parfaitement à la physiologie du processus. Le couplage est également abordé dans ce travail. L’implémentation en temps réel de l’algorithme de détection a été réalisée. Cependant, celle de l’algorithme de classification reste en perspective. Son utilisation en clinique est prévue.

The diseases affecting and altering the swallowing process are multi-faceted, affecting the patient’s quality of life and ability to perform well in society. The exact nature and severity of the pre/post-treatment changes depend on the location of the anomaly. Effective swallowing rehabilitation, clinically depends on the inclusion of a video-fluoroscopic evaluation of the patient’s swallowing in the post-treatment evaluation. There are other available means such as endoscopic optical fibre. The drawback of these evaluation approaches is that they are very invasive. However, these methods make it possible to observe the swallowing process and identify areas of dysfunction during the process with high accuracy. "Prevention is better than cure" is the fundamental principle of medicine in general. In this context, this thesis focuses on remote monitoring of patients and more specifically monitoring the functional evolution of the swallowing process of people at risk of dysphagia, whether at home or in medical institutions, using the minimum number of non-invasive sensors. This has motivated the monitoring of the swallowing process based on the capturing only the acoustic signature of the process and modeling the process as a sequence of acoustic events occuring within a specific time frame. The main problem of such acoustic signal processing is the automatic detection of the relevent sound signals, a crucial step in the automatic classification of sounds during food intake for automatic monitoring. The detection of relevant signal reduces the complexity of the subsequent analysis and characterisation of a particular swallowing process. The-state-of-the-art algorithms processing the detection of the swallowing sounds as distinguished from environmental noise were not sufficiently accurate. Hence, the idea occured of using an adaptive threshold on the signal resulting from wavelet decomposition. The issues related to the classification of sounds in general and swallowing sounds in particular are addressed in this work with a hierarchical analysis that aims to first identify the swallowing sound segments and then to decompose them into three characteristic sounds, consistent with the physiology of the process. The coupling between detection and classification is also addressed in this work. The real-time implementation of the detection algorithm has been carried out. However, clinical use of the classification is discussed with a plan for its staged deployment subject to normal processes of clinical approval.