A Perceptual Evaluation of Short-Time Fourier Transform Window Duration and Divergence Cost Function on Audio Source Separation using Non-negative Matrix Factorization

Non-negative matrix factorization (NMF) is an established method of performing audio source separation. Previous studies used NMF with supplementary systems to improve performance, but little has been done to investigate perceptual effects of NMF parameters. The present study aimed to evaluate two NMF parameters for speech enhancement: the short-time Fourier transform (STFT) window duration and divergence cost function. Two experiments were conducted: the first investigated the effect of STFT window duration on target speech intelligibility in a sentence keyword identification task. The second experiment had participants rate residual noise levels present in target speech using three different cost functions: the Euclidian Distance (EU), the Kullback-Leibler (KL) divergence, and the Itakura-Saito (IS) divergence. It was found that a 92.9 ms window duration produced the highest intelligibility scores, while the IS divergence produced significantly lower residual noise levels than the EU and KL divergences. Additionally, significant positive correlations were found between subjective residual noise scores and objective metrics from the Blind Source Separation (BSS_Eval) and Perceptual Evaluation method for Audio Source Separation (PEASS) toolboxes. Results suggest longer window durations, with increased frequency resolution, allow more accurate distinction between sources, improving intelligibility scores. Additionally, the IS divergence is able to more accurately approximate high frequency and transient components of audio, increasing separation of speech and noise. Correlation results suggest that using full bandwidth stimuli could increase reliability of objective measures

Uterine contractions clustering based on surface electromyography: an input for pregnancy monitoring

Tese de mestrado em Bioestatística, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Inicialmente a investigação da contratilidade uterina recorria à utilização de dois métodos: o tocograma externo e o cateter de pressão intrauterino. Ambos os métodos apresentam limitações ao nível da avaliação do risco de parto prematuro e na monitorização da gravidez. O EHG (Electrohisterograma) é um método alternativo ao tocograma externo e ao cateter de pressão intrauterino. Este método pode ser aplicado de forma invasiva no músculo uterino, ou de forma não invasiva através de elétrodos colocados no abdómen. O EHG tem sido considerado uma ferramenta adequada para a monitorização da gravidez e do parto. O índice de massa corporal tem um impacto quase impercetível no EHG, sendo esta uma das principais características deste método. O EHG pode também ser utilizado para identificar as mulheres que vão entrar em trabalho de parto e ainda auxiliar na tomada de decisão médica quanto à utilização da terapia tocolítica (antagonista da oxitocina), evitando deste modo a ingestão de medicação desnecessária e os consequentes efeitos secundários. Na literatura existem apenas cinco casos publicados em que foi realizada uma separação dos principais eventos do sinal EHG: contrações, movimentos fetais, ondas Alvarez e ondas LDBF (Longue Durée Basse Fréquence). Em três das publicações a separação dos eventos foi feita manualmente e nos restantes casos algoritmos, como redes neuronais, foram aplicados ao EHG. As ondas Alvarez e as Braxton-Hicks são as mais reconhecidas. As ondas Alvarez foram descritas pela primeira vez nos anos cinquenta e as Braxton-Hicks foram descritas pela primeira vez em 1872 sendo detetadas através de palpação. As ondas Alvarez são ocasionalmente sentidas pela mulher. Estas ondas estão localizadas numa pequena área do tecido uterino sem propagação e podem levar a contrações com maior intensidade e, consequentemente, ao parto pré-termo. As Braxton-Hicks são contrações ineficientes registadas a partir da 20ª semana de gravidez que se tornam mais frequentes e intensas com o decorrer da gravidez. Estas contrações são menos localizadas que as ondas Alvarez e, durante o parto, propagam-se por todo o tecido uterino num curto período de tempo. As Braxton-Hicks estão associadas a uma diminuição do ritmo cardíaco fetal. As ondas LDBF são contrações de longa duração associadas a hipertonia uterina, quando há contração do tecido uterino sem retorno ao relaxamento muscular, o que representa um risco na gravidez. Neste trabalho foram utilizadas duas bases de dados. Na base de dados da Islândia existem 122 registos de 45 mulheres, dos quais apenas 4 correspondem a partos pré-termo. Na base de dados TPEHG (Term-Preterm EHG) existem 300 registos, dos quais 38 correspondem a partos pré-termo. Neste trabalho foram escolhidos canais bipolares, visto que estes reduzem o ruído idêntico, como o ECG (Eletrocardiograma) materno ou movimentos respiratórios. Para ambas as bases de dados os sinais originais de EHG foram processados e filtrados. Na estimação espetral foram considerados dois métodos: paramétricos e não paramétricos. O método Welch foi escolhido pois representa um bom compromisso entre ambos. Este método foi utilizado para calcular o espectro de cada evento detetado no sinal EHG. Para detetar os eventos no sinal EHG foram considerados cinco métodos baseados na energia ou amplitude. O método Wavelet foi o escolhido pois após uma inspeção visual, este era o método que delineava melhor as contrações. Na base de dados da Islândia foram identificadas 3136 contrações e na TPEHG foram encontradas 4622 contrações. O objetivo principal desta tese é obter clusters de contrações detetadas no sinal EHG. No entanto, as contrações são séries temporais não estacionárias, e a sua classificação visual é inviável a longo termo e também difícil de aplicar na prática clínica. Existem vários parâmetros que podem ser extraídos do sinal EHG, mas o espectro das contrações foi o método escolhido visto que este representa o sinal EHG e tem sempre a mesma dimensão, independentemente da duração da contração. As distâncias espetrais têm sido utilizadas com sucesso no reconhecimento áudio. Neste trabalho foi realizada uma aplicação desse método ao processamento do EHG, no qual foram realizados os ajustes necessários. Para comparar os espectros foram estudadas 8 distâncias diferentes: Itakura-Saito, COSH, Itakura, Itakura simétrica, Kullback-Leibler, Jeffrey, Rényi e Jensen-Rényi. Apenas as distâncias simétricas foram selecionadas para um estudo mais detalhado visto que estas são, segundo a literatura, as distâncias mais adequadas aquando do clustering. Após comparação das distâncias simétricas, a divergência de Jeffrey foi a selecionada para a comparação dos espectros. Nesta tese foram avaliados três métodos diferentes de clustering: o linkage, o K-means e o K-medoids. O linkage é um método hierárquico. Os clusters que resultam do agrupamento hierárquico estão organizados numa estrutura chamada dendrograma. No agrupamento hierárquico, não é necessário predeterminar o número de clusters, o que torna este um método ideal na exploração dos dados. O K-means e o K-medoids são métodos de partição, nos quais os dados são separados em k clusters decididos previamente. Os clusters são definidos de forma a otimizar a função da distância. No algoritmo K-means, os clusters baseiam-se na proximidade entre si de acordo com uma distância predeterminada. A diferença entre o K-medoids e o K-means é que o K-medoids escolhe pontos de dados como centros, chamados de medoides, enquanto K-means usa centróides. Após uma comparação dos diferentes métodos de clustering foi escolhido neste trabalho foi o average linkage, visto que este apresentava melhores resultados quer na separação dos espectros quer na silhueta. É então apresentado um método inovador no qual se utiliza todo o espectro das contrações detetadas automaticamente no EHG para o clustering não supervisionado. Esta técnica é uma contribuição para a classificação automática das diferentes contrações, especialmente aquelas mais reconhecidas na literatura: Alvarez e Braxton-Hicks. Era expectável encontrar um cluster isolado com as ondas LDBF, visto que estas representam um risco para o feto. O principal objetivo era juntar num cluster os espectros semelhantes das contrações, e relacioná-lo com o respetivo tipo de contração. Essa tarefa foi concluída através da identificação positiva de Alvarez e Braxton-Hicks. O clustering forneceu ainda algumas pistas sobre ondas Alvarez que não foram encontradas com o algoritmo de deteção de contrações, situação para a qual um método alternativo é apresentado. É sugerido que as ondas Alvarez sejam detetadas com métodos baseados na frequência, como, por exemplo, a frequência instantânea, no entanto este método não foi desenvolvido neste trabalho. Em relação às ondas LDBF, estas foram encontradas no cluster das Braxton-Hicks. É sugerido que a deteção das ondas LDBF seja baseada na sua caraterística mais distinta: a longa duração. Verificou-se que os casos pré-termo e os registos pré-parto não ficaram isolados num cluster, não se tendo encontrado uma relação entre a idade gestacional e o tipo de contração. Conclui-se que as contrações mais curtas apresentam maior amplitude do que as contrações com maior duração. Baseado em estudos anteriores sobre a eletrofisiologia do útero, supõem-se que o início do trabalho de parto pré-termo e termo esteja associado a sequências específicas de diferentes tipos de contrações, nas quais as ondas Alvares desempenham um papel importante. As contrações identificadas como Alvarez e Braxton-Hicks não são usadas como tal na prática clínica apesar de a maioria das contrações detetadas pelo tocograma serem Braxton-Hicks. O interesse pelas ondas Alvarez diminuiu rapidamente visto que estas ondas são praticamente indetetáveis pelo método de referência de deteção de contrações: o tocograma. As capacidades e a resolução do EHG levaram à renovação do estudo das contrações mais subtis, incluindo as Alvarez. Este trabalho é uma contribuição para a investigação nesta área.An innovative technique is introduced wherein where an unsupervised clustering method using as feature the whole spectrum of automatically detected contractions on the EHG (Electrohysterogram) is presented as a contribution to the automatic classification of the different uterine contractions, at least those that have been most recognized in the literature: Alvarez and Braxton-Hicks. It was expected to also be able to cluster the LDBF (Longue Durée Basse Fréquence) components, as these pose a fetal risk. The main task was to have the spectral contractions descriptions clustered and linked to the respective contraction type. That task was completed with positive identification of the Alvarez and Braxton-Hicks. The clustering process also provided clues regarding the missed Alvarez waves in the contraction detection algorithm, for which an alternative technique is suggested but not developed in this work. Regarding the LDBF they were found in the Braxton-Hicks cluster. It is suggested the LDBF´s to be detected based in their most prominent feature: the long duration. It is presented the rationale behind the selection of a cost function to be used in the spectral distance’s algorithm. Spectral distances have been successfully used in audio recognition and this works represents an application to the EHG processing, for which the necessary adjustments have to be implemented. It was found that no single cluster pointed to the preterm cases, or indeed to the pre-labor subject recordings. It is hypothesized, based on previous studies in uterine electrophysiology, that the initiation of pre-term or term labor should be associated with triggering contraction sequences of different types, where the Alvarez waves play a major role. Alvarez and Braxton-Hicks, labeled as such, are not typically used in the clinical environment despite most of the Tocogram detected contractions being the latter. Alvarez waves are not usually detectable by the Tocogram. Alvarez were firstly detected invasively in the early fifties, and Braxton-Hicks in 1872 using routine palpation techniques. The interest in Alvarez components declined rapidly since being practically undetectable by the de facto reference in the contraction detection: the Tocogram. The EHG capabilities and resolution made it possible to revive the research on the most subtle uterine contractions, Alvarez included and this work is a contribution in this research area

Time and spectral domain relative entropy: A new approach to multivariate spectral estimation

The concept of spectral relative entropy rate is introduced for jointly stationary Gaussian processes. Using classical information-theoretic results, we establish a remarkable connection between time and spectral domain relative entropy rates. This naturally leads to a new spectral estimation technique where a multivariate version of the Itakura-Saito distance is employed}. It may be viewed as an extension of the approach, called THREE, introduced by Byrnes, Georgiou and Lindquist in 2000 which, in turn, followed in the footsteps of the Burg-Jaynes Maximum Entropy Method. Spectral estimation is here recast in the form of a constrained spectrum approximation problem where the distance is equal to the processes relative entropy rate. The corresponding solution entails a complexity upper bound which improves on the one so far available in the multichannel framework. Indeed, it is equal to the one featured by THREE in the scalar case. The solution is computed via a globally convergent matricial Newton-type algorithm. Simulations suggest the effectiveness of the new technique in tackling multivariate spectral estimation tasks, especially in the case of short data records.Comment: 32 pages, submitted for publicatio

On nonparametric techniques for analyzing nonstationary signals

Dans l analyse des signaux d origine naturelle, nous sommes souvent confrontés à des situations où nous ne savons pas si un changement s est produit, ni où le possible point de changement peut être localisé. Cependant, diverses méthodes en traitement du signal reposent implicitement sur une hypothèse de stationnarité, car le cas stationnaire est bien défini dans une perspective théorique. D un autre côté, tous les processus du monde réel sont a priori non-stationnaires et, dans la majorité des cas, cette supposition se révèle vraie. Etant donné qu il existe de nombreuses façons par lesquelles la propriété de stationnarité peut être enfreinte, différents tests de stationnarité ont été développés pour tester les différentes formes de non-stationnarité. Cette thèse se concentre sur la conception et l amélioration des techniques qui peuvent être appliquées aux signaux environnementaux, plus spécifiquement, les signaux hydrométéorologiques. Les techniques qui ont été développées présentent certaines caractéristiques qui sont préférables pour tester les données environnementales (i.e. être non-parametrique, être capable d extraire automatiquement les informations des données disponibles, être capable d identifier un changement dans les moments statistiques du premier et du second ordre). Dans cette thèse, le test de stationnarité et la détection de point de changement ont été abordés séparément: les tests de stationnarité rejettent la stationnarité de tout l intervalle d observation, tandis que pour détecter les points de changement, nous testons les signaux pour les quels la stationnarité a déjà été rejetée. Dans cette thèse, de nombreuses contributions et de nouvelles approches de ces sujets sont proposées. La dernière partie de la thèse consiste à appliquer toutes les approaches développées sur des données environnementales. Les données ont été générées par le Canadian Regional Climate Model (CRCM), un modéle très réaliste qui prend en compte de nombreuses interactions physiques complexes.La cohérence des résultats obtenus confirme le potentiel des approches proposées au regard des approches concurrentes.In the analysis of the signals of natural origin, we are often confronted with situations where we do not know if a change occurred, or where the possible point of change can be located(localized). However, diverse methods in signal processing rest(base) implicitly on a hypothesis of stationarity, because the still case is defined well in a theoretical prospect(perspective). On the other hand, all the processes of the real world are a priori non-still and, in the majority of the cases, this supposition shows itself true. Given that there are numerous manners by which the property of stationarity can be broken, various tests of stationarity were developed to test the various forms of non-stationarity. This thesis(theory) concentrates on the conception(design)SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Feature Extraction and Selection in Automatic Sleep Stage Classification

Sleep stage classification is vital for diagnosing many sleep related disorders and Polysomnography (PSG) is an important tool in this regard. The visual process of sleep stage classification is time consuming, subjective and costly. To improve the accuracy and efficiency of the sleep stage classification, researchers have been trying to develop automatic classification algorithms. The automatic sleep stage classification mainly consists of three steps: pre-processing, feature extraction and classification. In this research work, we focused on feature extraction and selection steps. The main goal of this thesis was identifying a robust and reliable feature set that can lead to efficient classification of sleep stages. For achieving this goal, three types of contributions were introduced in feature selection, feature extraction and feature vector quality enhancement. Several feature ranking and rank aggregation methods were evaluated and compared for finding the best feature set. Evaluation results indicated that the decision on the precise feature selection method depends on the system design requirements such as low computational complexity, high stability or high classification accuracy. In addition to conventional feature ranking methods, in this thesis, novel methods such as Stacked Sparse AutoEncoder (SSAE) was used for dimensionality reduction. In feature extration area, new and effective features such as distancebased features were utilized for the first time in sleep stage classification. The results showed that these features contribute positively to the classification performance. For signal quality enhancement, a loss-less EEG artefact removal algorithm was proposed. The proposed adaptive algorithm led to a significant enhancement in the overall classification accuracy

Systematic benchmark evaluation of distance metrics for scRNA-seq data

When attempting to generate statistical inference, the notion of distance or (dis)similarity among observations is a crucial for understanding the data's structure. When the data are sparse, as in Single-cell RNA-seq (scRNA-seq), some notions of distance can give false signals regarding observation structure. Motivated by a multinomial model for \scRNA-seq data, we test sought to test the performance of several dissimilarities using experimental and simulated scRNA-seq data. Methods and results for the permutations of these analyses are provided and summarized herein. We leveraged \tool as an efficient and accurate means to compute fifteen notions of dissimilarity for experimental and simulated scRNA-seq data. Calculations were performed in experimental scRNA-seq data that had cluster and lineage structure using multiple levels of variable genes for robustness. The simulated scRNA-seq data sought to test robustness in response to experimental factors, so simulated cluster and lineage structure data was tested with multiple varying simulation settings. We provide five fitness metrics for each dissimilarity, kAcc(nearest-neighbor accurarcy), TrajCor(lineage structure accuracy), ARI(truth label concordance with simple clustering algorithm), 1-G+ (tightness of truth cluster labels), and GapStat(evidence for k>1 clusters). While no single distance vastly outperforms all others, geometric (non-normalized) distances are consistently out-performed by statistical (normalized). We reiterate the suggestions of \tool and recommend JSD as a distance which demonstrates strong overall performance in almost all test scenarios