Performance evaluation of the Hilbert–Huang transform for respiratory sound analysis and its application to continuous adventitious sound characterization

© 2016. This manuscript version is made available under the CC-BY-NC-ND 4.0 license http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/The use of the Hilbert–Huang transform in the analysis of biomedical signals has increased during the past few years, but its use for respiratory sound (RS) analysis is still limited. The technique includes two steps: empirical mode decomposition (EMD) and instantaneous frequency (IF) estimation. Although the mode mixing (MM) problem of EMD has been widely discussed, this technique continues to be used in many RS analysis algorithms. In this study, we analyzed the MM effect in RS signals recorded from 30 asthmatic patients, and studied the performance of ensemble EMD (EEMD) and noise-assisted multivariate EMD (NA-MEMD) as means for preventing this effect. We propose quantitative parameters for measuring the size, reduction of MM, and residual noise level of each method. These parameters showed that EEMD is a good solution for MM, thus outperforming NA-MEMD. After testing different IF estimators, we propose Kay¿s method to calculate an EEMD-Kay-based Hilbert spectrum that offers high energy concentrations and high time and high frequency resolutions. We also propose an algorithm for the automatic characterization of continuous adventitious sounds (CAS). The tests performed showed that the proposed EEMD-Kay-based Hilbert spectrum makes it possible to determine CAS more precisely than other conventional time-frequency techniques.Postprint (author's final draft

Nuevas técnicas diagnósticas de las enfermedades respiratorias : análisis de imagen

In the present thesis 3 detailed studies were carried out that spring from 3 different diagnostic techniques that include bronoscopy, tuberculine bacillus infection diagnosis, and the control of oxygen therapy in chronic patients. All three studies were based on image analysis. In the first study we applied ultrasound techniques through broncoscopy (EBUS) and evaluated the images of 12 malignant ganglios and 11 benign mediastine ones in patients suspected as having pulmonary neoplastic disease. A previous process was applied to improve the quality of the image and enhance their features. Morfologic and texture parameters were anaylized such as texture of the ultrasounds and fractal dimensión that express the relation between the area and the perimeter of the structures that appear in the image, as well as characteristics of internal structure convolucionated of the hiliary and mediastine structures. The fractal dimensión was lower in the malignant ganglios compared to non-malignant ones (1.47(0.09), 1.53(0.10) mean (SD), respectively, Mann Whitney U test p<0.005)). In conclusion the fractal dimensión of ultrasound images of the mediastine ganglios obtained through endobronquial ultrasound differ depending on whether they are benign or malignant. In the second study a new method of evaluation was implemented of the tuberculine skin reaction with an Infrared camera. In this study 34 subjects participated that had been in contact with people infected with the bacillus. (46.8± 16.9 years), (12/22 men/women). The test reading was performed by the standard exploratory method and after taking an image of the puncture site on the forearm, using an Infrared Fluke Camara (320x240) situated 40 cm above the forearm. The IR image was processed using conventional image processing techniques (Canny edge detection, Hough transformer). From the previously segmented regions the following parameters are extracted: Maximum temperature , mean and mínimum in Cº, surface area and diameter of the area of segmented reaction. Results: 3 areas of segmentation were established: Area 1, called "papule", area 2 "eritema" and area 3 "background". The differences in temp between areas 1 and 2 in the group with positive IR reaction were significant with a mean temp. difference of 0.45 Cº ( T Test, p<0.05). The difference between the mean temp. of the central area of both groups was 1.11 Cº (T Test, p<0.05). The regression coefficient between the diameter measured by examination was R=0.65, R2=0.42, ( p<0.001), in all subjects with a positive PPD. We can conclude that the tuberculine injection produces an inflammatory reaction that can be easily readed with a IR application. The third study yielded data regarding the effects that applied oxygen therapy over a short period to time has on the psychomotor status of patients with chronic hypoxemia. Eight patients (7 men and 1 woman, mean age 69.5 (9.9) years (mean SD) affected by Hypoxemia (Pa O2 62.2(6.9) mmHg, participated. They performed drawings: a house and a clock. The tests were undertaken before and after inhaling O2 during 30 minutes. Results: The speed of drawing increased after inhaling O2 while making the house drawing (speed 27.6(5.5) mm/s basal, 30.9(7.1) mm/s with O2, mean(SD), p<0.025, Wilcoxon Test). The drawing time "down" decreased (i.e. For the house; "down time" 20.7 (6.6) s basal, 17.4 (6.3) s with O2 , p<0.017, Wilcoxon Test). The drawing time "down" or the fraction of time that the pencil is in contact while performing the drawing decreased. ((i.e. For the house: "time down" 20.7(6.6) s basal, 17.4(6.3) s con O2 , p<0.017, Wilcoxon Test). In conclusion, this study shows that in patients with chronic hypoxemia, the administration of O2 at a low concentration during a short period of time produces changes in psychomotor function that can be measured through the drawing analysis.En esta tesis se han realizado tres estudios aplicando tres técnicas diagnósticas diferentes que incluyen broncoscopia, diagnóstico de la infección por el bacilo de la tuberculosis y el control de la oxigeno terapia en pacientes crónicos. Todos los estudios están basados en el análisis de imagen. En el primer estudio mediante la técnica de ultrasonografia a través de broncoscopio (EBUS) se evaluaron las imágenes de 12 ganglios mediastinitos malignos y 11 benignos en pacientes con sospecha de neoplasia pulmonar. Un procesamiento previo de la imagen fue aplicado para mejorar la cualidad de la misma. Se analizaron parámetros de textura y morfología así como la dimensión fractal que expresa la relación entre área y perímetro de las estructuras que aparecen en la imagen. La dimensión fractal fue más baja en los ganglios malignos comparados con los benignos (1.47(0.09), 1.53(0.10) (media(sd)) respectivamente. (Mann Whitney U test p<0.005). En conclusión la dimnensión fractal de las imágenes de ultrasonidos de los ganglios mediastinitos (EBUS) difieren dependiendo de si son o no malignos. En el segundo estudio se implemento un nuevo método de evaluación de la reacción dérmica a la tuberculina mediante una cámara de infrarrojos (IR). Participaron 34 sujetos que habían estado en contacto con pacientes infectados con el bacilo tuberculoso (46.8±16.9 años), (12/22 hombres/mujeres). La lectura fue realizada mediante exploración convencional y una cámara IR Fluke (320x240) situada a 40 cm del antebrazo en el lugar de punción. La imagen IR se proceso mediante detección Canny y la transformación de Hough). Resultados: Se describieron 3 áreas de segmentación, área 1 o pápula, área 2 o eritema y área 3 o background. Las diferencias de temperatura entre la 1 y 2 en el grupo IR positivo fue de 0.45 Cº (T test, p<0.05). La diferencia de Temp. Entre ambos grupos fue de 1.11 Cº (T test, p<0.05). El coeficiente de regresión entre ambos métodos fue de R=0.65, R20.42 (p<0.001) en los IR +. Concluimos que la inyección de tuberculina produce una reacción inflamatoria que puede ser medida por una cámara IR. En el tercer estudio se estudiaron los efectos de la oxigenoterapia a corto plazo sobre el estado psicomotor de los pacientes afectos de hipoxemia crónica. Participaron 8 pacientes afectos de hipoxemia (7/1 hombres/mujeres, edad 69.5(9.9) años (PaO2 62.2(6.9) mmHg). Desarrollaron dibujos (una casa y un reloj) antes y después de la inhlación de O2 durante 30 min. Resultados: La velocidad del trazado aumento con la casa((27.6(5.5) mm/s basal, 30.9(7.1) mm/s con O2 , p<0.025) Wilcoxon test). El tiempo abajo (contacto lapiz-tabla) disminuyo para la casa (20.7(6.6)s basal 17.4(6.3)s con O2, p<0.017, Wilcoxon test). En conclusión este estudio indica que en pacientes con hipoxemia crónica, la administración de O2 a bajas concentraciones durante un periodo corto de tiempo produce cambios en la función psicomotora que pueden ser medidos mediante el análisis del trazado de dibujosPostprint (published version

Análisis de la intensidad de los sonidos respiratorios para el diagnóstico de la parálisis frénica unilateral

El análisis acústico de la intensidad de los sonidos respiratorios (ISR) es una medida indirecta y no invasiva de la función respiratoria, que permite comparar la actividad en los dos hemitórax de los pacientes con parálisis frénica unilateral. Se registraron los sonidos y el flujo respiratorio en 10 hombres con parálisis frénica unilateral y 10 sujetos sanos (5 hombres/5 mujeres) en posición sentada. Se colocaron 2 micrófonos de contacto en la espalda, uno a cada lado de la columna. La ISR se calculó en el rango frecuencial 70-2000 Hz a partir de la densidad espectral de potencia y para flujos entre 1,2 y 2,4 l/s. Se encontró que las diferencias en la ISR media de los dos hemitórax era significativamente mayor en los pacientes (13.5 dB) que en los sujetos sanos (2.3 dB). Además, se comprobó que esa diferencia era mayor en pacientes con un VEF1 menor. Por lo tanto, el análisis acústico de la ISR es una técnica no invasiva muy útil para valorar la función respiratoria. Esta técnica puede mejorar la fiabilidad en el diagnóstico de la parálisis frénica unilateral así como la monitorización a largo plazo de estos pacientes.Peer ReviewedPostprint (published version

Analysis of normal and continuous adventitious sounds for the assessment of asthma

Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Feature Selection, Ranking of Each Feature and Classification for the Diagnosis of Community Acquired Legionella Pneumonia

Diagnosis of community acquired legionella pneumonia (CALP) is currently performed by means of laboratory techniques which may delay diagnosis several hours. To determine whether ANN can categorize CALP and non-legionella community-acquired pneumonia (NLCAP) and be standard for use by clinicians, we prospectively studied 203 patients with community-acquired pneumonia (CAP) diagnosed by laboratory tests. Twenty one clinical and analytical variables were recorded to train a neural net with two classes (LCAP or NLCAP class). In this paper we deal with the problem of diagnosis, feature selection, and ranking of the features as a function of their classification importance, and the design of a classifier the criteria of maximizing the ROC (Receiving operating characteristics) area, which gives a good trade-off between true positives and false negatives. In order to guarantee the validity of the statistics; the train-validation-test databases were rotated by the jackknife technique, and a multistarting procedure was done in order to make the system insensitive to local maxima

Evaluación de la vía aérea superior en sujetos con SAHS mediante análisis del sonido respiratorio durante vigilia

El Síndrome de Apnea-Hipopnea del Sueño (SAHS) actualmente se diagnostica mediante la Polisomnografía (PSG), una prueba cara y costosa. Se han propuesto diversas alternativas para ayudar al cribado previo de SAHS. En estudios previos demostramos que los sujetos con SAHS se pueden identificar a partir de las frecuencias de resonancia (formantes) de la respiración nocturna. En este trabajo se extiende el estudio al sonido respiratorio registrado en vigilia. Se seleccionaron diversos ciclos de inspiración y expiración consecutivas en 23 sujetos con diversos grados de SAHS durante el estado de vigilia previo a la PSG. Mediante un modelo autoregresivo (AR) se estimaron los formantes y el área transversal (CSA) de la vía. Se observa que los formantes en determinadas bandas tienen una frecuencia mayor (p<0.04) en sujetos con SAHS leve-moderado, con un Índice de Apnea-Hipopnea (AHI) menor que 30, respecto a los sujetos con SAHS severo (AHI=30). En paralelo, el área promedio de la vía aérea en las zonas con obstrucción muestra una tendencia decreciente (r=-0.498) con la severidad de la patología. Las características de los formantes, combinadas con medidas antropométricas, permiten clasificar a los sujetos con SAHS severo con una sensibilidad (especificidad) de hasta un 84.6% (88.9%). En conclusión, el sonido respiratorio registrado durante vigilia proporciona información valiosa sobre el estado de la vía aérea superior que puede ayudar a identificar un SAHS severo.Postprint (published version

Sincronización de sistemas de monitorización para el estudio de ronquidos en las distintas fases del sueño en pacientes con SAHS

El Síndrome de Apnea-Hipopnea del Sueño (SAHS) tiene una incidencia en sujetos de edad media, del 2-4% en mujeres y 4-6% en hombres, además de múltiples consecuencias asociadas. Sin embargo, a pesar de su prevalencia, menos de un 10% de la población con este síndrome es diagnosticada. Con el objetivo de identificar qué señales debería emplear un futuro método de diagnóstico para pacientes con sospecha de SAHS más eficaz que los actuales, se sugiere un estudio en detalle de los eventos respiratorios que tienen lugar durante la noche. Para ello se parte de los estudios de monitorización del sueño realizados a pacientes con síntomas de SAHS mediante dos plataformas comerciales distintas. En primer lugar, los registros procedentes de dichos estudios se combinan y sincronizan temporalmente de una forma precisa y robusta. Una vez llevada y sincronizada toda la información a una plataforma común, el presente estudio se centra en la relación del SAHS con una nueva información, el roncograma. El roncograma permite estudiar la evolución de los ronquidos según la fase de sueño. Aplicando esta medida sobre nuestra base de datos observamos como el tiempo en fase de vigilia, el tiempo en fase REM o la densidad de ronquidos en fases ligeras presentan diferencias estadísticamente significativas para pacientes con distinta severidad de SAHS.Postprint (published version

Decent Work as a Necessary Condition for Sustainable Well-Being. A Tale of Pi(i)gs and Farmers

This article analyzes with a holistic and systematic approach the state of working conditions in the European labor market after the crisis, as well as their effects on worker well-being. For this, a distinction will be made between the southern countries most affected, namely Portugal, Italy, Ireland, Greece, and Spain (Piigs), and the northern countries that are, a priori, less damaged by the crisis (Farmers). The samples integrate 7867 workers from the five Piigs countries (36.2%) and 13,894 from the 10 Farmers countries (63.8%). The results have broadly confirmed the research purposes and they established that ensuring well-being is the key to sustainability, growth, and success for workers, groups, and organizations

Relación entre la presión inspiratoria pico y la activación mecánica de los músculos inspiratorios durante respiración tranquila en pacientes con EPOC

En la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) la fuerza muscular inspiratoria (FMI) y la eficiencia mecánica de los músculos inspiratorios (EMMI) podrían verse reducidas como consecuencia de la hiperinsuflación. En este trabajo se registraron la presión inspiratoria en boca (PIpico) y la activación mecánica de los músculos inspiratorios en 10 pacientes EPOC severos y muy severos, durante respiración tranquila. Para determinar la activación mecánica de los músculos inspiratorios se empleó la señal mecanomiográfica diafragmática: MMGdi. La amplitud de la señal MMGdi fue estimada a través de índices lineales (ARV: valor rectificado medio) y no lineales (MLZ: Lempel-Ziv multiestado, y fSampEn: entropía muestral con valores de tolerancia fijos). Nuestra hipótesis es que el ratio entre PIpico, que refleja la FMI, y la amplitud de la señal MMGdi constituye una expresión de la EMMI. Los resultados obtenidos muestran ligeras diferencias entre la PIpico registrada en EPOC severos y muy severos, así como una correlación débil a moderada con los parámetros de función pulmonar y los índices estudiados. Sin embargo, mientras mayor es el grado de severidad (que supone un mayor grado de hiperinsuflación) mayor es el nivel de activación mecánica de los músculos inspiratorios. La activación mecánica de los músculos inspiratorios y la EMMI estimadas mediante MLZ estuvieron mejor correlacionadas con la función pulmonar que ARV y fSampEn. Por consiguiente, la estimación de la actividad mecánica del diafragma mediante el MLZ de la señal MMGdi podría mejorar la estimación no invasiva de la FMI y la EMMI, incluso para niveles muy bajos de esfuerzo inspiratorio.Peer ReviewedPostprint (author’s final draft

Evaluación de diferentes algoritmos adaptativos para la atenuación de la interferencia cardiaca en señales mecanomiográficas simuladas

El estudio de la señal mecanomiográfica del músculo diafragma (MMGdi) es una técnica utilizada para evaluar el esfuerzo muscular respiratorio. El estudio de la relación entre los parámetros de amplitud y frecuencia de esta señal con el esfuerzo respiratorio realizado es de gran interés para investigadores y médicos debido a su potencial de diagnóstico sobre la función muscular respiratoria. Las señales MMGdi se ven afectas por una componente interferente correspondiente a la actividad vibratoria cardíaca o interferencia mecanocardiográfica (MCG). Para reducir o atenuar esta actividad se puede utilizar una cancelación adaptativa de interferencias (CAI). En este trabajo se ha evaluado el esquema de CAI propuesto mediante una señal MMGdi sintética generada con amplitud y frecuencia controlada a la que se le ha añadido ruido MCG real adquirido durante apnea. El coeficiente de correlación de Pearson (r) entre la amplitud y la frecuencia teóricas, y la amplitud y la frecuencia evaluadas mediante el RMS y la frecuencia media del espectro, respectivamente, disminuye considerablemente cuando se añade el ruido cardíaco a la señal MMGdi sintética: pasa de 0.95 a 0.87 para la amplitud, y de 0.97 a 0.76 para la frecuencia. Con los algoritmos de CAI propuestos el efecto del ruido MCG sobre la actividad MMGdi se reduce considerablemente (r de 0.93 para la amplitud y 0.97 para la frecuencia media). El método de CAI propuesto en este trabajo es una técnica adecuada para atenuar la interferencia MCG en señales MMGdi.Postprint (published version