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    Exploiting Nonlinear Recurrence and Fractal Scaling Properties for Voice Disorder Detection

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    Background: Voice disorders affect patients profoundly, and acoustic tools can potentially measure voice function objectively. Disordered sustained vowels exhibit wide-ranging phenomena, from nearly periodic to highly complex, aperiodic vibrations, and increased "breathiness". Modelling and surrogate data studies have shown significant nonlinear and non-Gaussian random properties in these sounds. Nonetheless, existing tools are limited to analysing voices displaying near periodicity, and do not account for this inherent biophysical nonlinearity and non-Gaussian randomness, often using linear signal processing methods insensitive to these properties. They do not directly measure the two main biophysical symptoms of disorder: complex nonlinear aperiodicity, and turbulent, aeroacoustic, non-Gaussian randomness. Often these tools cannot be applied to more severe disordered voices, limiting their clinical usefulness.

Methods: This paper introduces two new tools to speech analysis: recurrence and fractal scaling, which overcome the range limitations of existing tools by addressing directly these two symptoms of disorder, together reproducing a "hoarseness" diagram. A simple bootstrapped classifier then uses these two features to distinguish normal from disordered voices.

Results: On a large database of subjects with a wide variety of voice disorders, these new techniques can distinguish normal from disordered cases, using quadratic discriminant analysis, to overall correct classification performance of 91.8% plus or minus 2.0%. The true positive classification performance is 95.4% plus or minus 3.2%, and the true negative performance is 91.5% plus or minus 2.3% (95% confidence). This is shown to outperform all combinations of the most popular classical tools.

Conclusions: Given the very large number of arbitrary parameters and computational complexity of existing techniques, these new techniques are far simpler and yet achieve clinically useful classification performance using only a basic classification technique. They do so by exploiting the inherent nonlinearity and turbulent randomness in disordered voice signals. They are widely applicable to the whole range of disordered voice phenomena by design. These new measures could therefore be used for a variety of practical clinical purposes.
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    Glottal Spectral Separation for Speech Synthesis

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    An automated carotid pulse assessment approach using Doppler ultrasound

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    During cardiac arrest emergencies, lay rescuers are required to manually check the patient's carotid pulse after the delivery of defibrillation shocks to assess the cardiac resuscitation progress of the patient. As a more automated way of monitoring the resuscitation progress, a new Doppler-ultrasound-based carotid pulse assessment approach is presented in this paper. The method works by analyzing the temporal aperiodicity of Doppler shifts seen in the ultrasound echoes returned from the patient's carotid arteries. As a quantitative investigation with this method, we derived a new measure called the pulselessness indicator to assess whether a carotid pulse is absent based on the given Doppler information. To study the performance of the new carotid pulse checking method, we built a multi-channel CW Doppler prototype device to acquire Doppler data in vivo during cardiac arrest experiments conducted on five different swines and computed pulselessness indicator estimates with these data. Our results indicated that the Doppler-based pulse checking approach has good sensitivity and specificity: it had a pulselessness detection rate greater than 0.9 for a given false alarm rate of 0.05. As a further analysis, the prototype device was applied to other experiments where the swine had suffered cardiac arrest for over five minutes. It showed a consistent assessment performance on the monitoring of the swine's resuscitation progress after defibrillation and chest compressions. © 2006 IEEE.published_or_final_versio

    Classification and Separation Techniques based on Fundamental Frequency for Speech Enhancement

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    [ES] En esta tesis se desarrollan nuevos algoritmos de clasificación y mejora de voz basados en las propiedades de la frecuencia fundamental (F0) de la señal vocal. Estas propiedades permiten su discriminación respecto al resto de señales de la escena acústica, ya sea mediante la definición de características (para clasificación) o la definición de modelos de señal (para separación). Tres contribuciones se aportan en esta tesis: 1) un algoritmo de clasificación de entorno acústico basado en F0 para audífonos digitales, capaz de clasificar la señal en las clases voz y no-voz; 2) un algoritmo de detección de voz sonora basado en la aperiodicidad, capaz de funcionar en ruido no estacionario y con aplicación a mejora de voz; 3) un algoritmo de separación de voz y ruido basado en descomposición NMF, donde el ruido se modela de una forma genérica mediante restricciones matemáticas.[EN]This thesis is focused on the development of new classification and speech enhancement algorithms based, explicitly or implicitly, on the fundamental frequency (F0). The F0 of speech has a number of properties that enable speech discrimination from the remaining signals in the acoustic scene, either by defining F0-based signal features (for classification) or F0-based signal models (for separation). Three main contributions are included in this work: 1) an acoustic environment classification algorithm for hearing aids based on F0 to classify the input signal into speech and nonspeech classes; 2) a frame-by-frame basis voiced speech detection algorithm based on the aperiodicity measure, able to work under non-stationary noise and applicable to speech enhancement; 3) a speech denoising algorithm based on a regularized NMF decomposition, in which the background noise is described in a generic way with mathematical constraints.Tesis Univ. Jaén. Departamento de Ingeniería de Telecomunición. Leída el 11 de enero de 201

    HMM-Based Speech Synthesis Utilizing Glottal Inverse Filtering

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    Singing information processing: techniques and applications

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    Por otro lado, se presenta un método para el cambio realista de intensidad de voz cantada. Esta transformación se basa en un modelo paramétrico de la envolvente espectral, y mejora sustancialmente la percepción de realismo al compararlo con software comerciales como Melodyne o Vocaloid. El inconveniente del enfoque propuesto es que requiere intervención manual, pero los resultados conseguidos arrojan importantes conclusiones hacia la modificación automática de intensidad con resultados realistas. Por último, se propone un método para la corrección de disonancias en acordes aislados. Se basa en un análisis de múltiples F0, y un desplazamiento de la frecuencia de su componente sinusoidal. La evaluación la ha realizado un grupo de músicos entrenados, y muestra un claro incremento de la consonancia percibida después de la transformación propuesta.La voz cantada es una componente esencial de la música en todas las culturas del mundo, ya que se trata de una forma increíblemente natural de expresión musical. En consecuencia, el procesado automático de voz cantada tiene un gran impacto desde la perspectiva de la industria, la cultura y la ciencia. En este contexto, esta Tesis contribuye con un conjunto variado de técnicas y aplicaciones relacionadas con el procesado de voz cantada, así como con un repaso del estado del arte asociado en cada caso. En primer lugar, se han comparado varios de los mejores estimadores de tono conocidos para el caso de uso de recuperación por tarareo. Los resultados demuestran que \cite{Boersma1993} (con un ajuste no obvio de parámetros) y \cite{Mauch2014}, tienen un muy buen comportamiento en dicho caso de uso dada la suavidad de los contornos de tono extraídos. Además, se propone un novedoso sistema de transcripción de voz cantada basada en un proceso de histéresis definido en tiempo y frecuencia, así como una herramienta para evaluación de voz cantada en Matlab. El interés del método propuesto es que consigue tasas de error cercanas al estado del arte con un método muy sencillo. La herramienta de evaluación propuesta, por otro lado, es un recurso útil para definir mejor el problema, y para evaluar mejor las soluciones propuestas por futuros investigadores. En esta Tesis también se presenta un método para evaluación automática de la interpretación vocal. Usa alineamiento temporal dinámico para alinear la interpretación del usuario con una referencia, proporcionando de esta forma una puntuación de precisión de afinación y de ritmo. La evaluación del sistema muestra una alta correlación entre las puntuaciones dadas por el sistema, y las puntuaciones anotadas por un grupo de músicos expertos
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