Statistical analysis of the connection between sleep apnea and speech
- Autores: Ana Montero Benavides
- Directores de la Tesis: José Luis Blanco Murillo (dir. tes.), Luis Alfonso Hernández Gómez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo López Gonzalo (presid.), Rubén San Segundo Hernández (secret.), Belén Ruiz Mezcua (voc.), Seba Almedawar (voc.), Doroteo Torre Toledano (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
En esta Tesis se trata uno de los trastornos del sueño más importante, la apnea obstructiva del sueño. Aunque hace ya dos siglos que se llevan observando anomalías en la respiración, ya sea durante el sueño o estando despiertos, ha sido recientemente cuando se ha reconocido la importancia de estos desórdenes del sueño debido a su alta prevalencia y sus dramáticas consecuencias.
En las últimas décadas se ha profundizado en el estudio de los desórdenes del sueño, entre ellos los de la apnea obstructiva del sueño, que consiste en el cese involuntario de la respiración durante unos segundos al nivel de la faringe, que se repite a lo largo de la noche impidiendo un correcto descanso.
Sin tratamiento, los pacientes que sufren apnea del sueño se enfrentan diariamente al cansancio permanente, dificultándoles poder llevar una vida normal y haciéndoles ser más propensos a causar accidentes, involucrando así al resto de población. Además se han detectado otros efectos secundarios como hipertensión, diabetes y riesgo de infarto. A pesar de que últimamente ya se ha reconocido la importancia a nivel mundial de este síndrome, su diagnóstico todavía es tedioso e intensivo en recursos. Actualmente el diagnóstico de la apnea obstructiva del sueño comienza en la consulta del médico de familia quien después de valorar al paciente como posible enfermo de apnea obstructiva del sueño lo deriva a la unidad de sueño para que allí se le realice una polisomnografía.
Este examen consiste en pasar la noche en dicha unidad mientras se duerme y se graban múltiples variables que posteriormente se tendrán que analizar. Las listas de espera para la realización de esta prueba médica es superior a un año de duración en países como España, lo cual pone de manifiesto la urgente necesidad de alternativas de métodos de diagnósticos y cribado.
A lo largo de esta Tesis pretendemos ayudar a los médicos en la tarea de cribado de los casos más graves de apnea obstructiva del sueño para poder dar prioridad a estos pacientes reorganizando las listas de espera. De esta manera los pacientes más graves de esta enfermedad podrían beneficiarse de un diagnóstico rápido y ponerse en tratamiento.
Dado que tanto la apnea obstructiva del sueño como la voz están relacionadas con el funcionamiento de las vías aéreas, se ha supuesto y comprobado que existen rasgos en el habla que están relacionados con este síndrome. Investigaciones biomédicas previas han demostrado la existencia de patrones morfológicos que están relacionados con la apnea obstructiva y que afectan al habla.
Además se han encontrado rasgos característicos en el habla de estos pacientes. En esta Tesis se profundiza en la relación entre el habla y la apnea obstructiva del sueño teniendo en cuenta los trabajos previos que nos han facilitado la investigación ya que en ellos se detectaban diferencias en el habla de pacientes de OSA en tres niveles: resonancia, articulación y fonación.
Nuestros experimentos están condicionados por la disponibilidad de datos. Trabajamos con habla continua tanto como con vocales sostenidas. Realizamos un cribado para seleccionar a los pacientes más graves, es decir, clasificar en dos grupos, sanos y casos graves. Por otra parte, también analizamos todo el espectro de la enfermedad, estratificando la población en función del grado de la severidad de la enfermedad. En cada estrato, analizamos las relaciones entre el habla y las variables clínicas.
Avanzamos esta línea de investigación estudiando no sólo el habla sino también las variables clínicas relacionadas con la apnea obstructiva para entender mejor las relaciones entre ellas. Añadimos información contextual al análisis estadístico; seleccionamos rasgos discriminativos para el cribado de apnea; analizamos variables clínicas y el habla en un escenario clínico real.
Aprovechando la existencia de una base de datos de tamaño moderado formada por 80 sujetos, incluyendo sanos y casos graves de apnea, con la peculiaridad de que se habían intentado controlar características físicas de estos pacientes (edad, peso, índice de masa corporal) nos centramos en analizar las diferencias de la señal de voz utilizando por primera vez en la detección de la apnea la información contextual. Para ello construimos dos tipos de modelos ocultos de Markov, uno dependiente de frase y el otro dependiente del contexto de los fonemas. Con esta metodología logramos mejorar las tasas de clasificación con respecto al sistema de referencia independiente del texto.
Con una perspectiva diferente, en vez de centrarnos únicamente en medidas de voz de la componente espectral, nos centramos en el análisis de medidas acústicas de distinta naturaleza: diferencias de formantes, propiedades fonéticas y prosódicas y una medida de nasalidad. A partir de un total de 16 medidas de voz, seleccionamos las que mejor diferencian entre las dos poblaciones, combinándolas en distintos tipos de discriminadores, resultando ser el mejor el de 8 medidas.
Nuestro modelo basado en medidas del habla presenta un mejor rendimiento que el modelo de referencia basado en la edad y el índice de masa corporal, que es la técnica habitual de cribado usado en las clínicas.
Finalmente estuvo disponible una base de datos nueva que cumplía con dos propiedades importantes: (i) cubre el rango entero desde personas sin apnea hasta casos graves de apnea, incluyendo casos leves, y (ii) ha sido grabado en un escenario clínico real de pacientes sospechosos de tener apnea obstructiva del sueño. El primer punto nos permite determinar correlaciones del índice de apnea/hipoapnea, es decir de la gravedad de la apnea, con otros parámetros clínicos (peso, altura, perímetro cervical, edad) y con características del habla (las frecuencias y anchos de banda de los primeros tres formantes). Debido al segundo punto nuestro estudio es realista para el cribado que queremos diseñar. A la vez el problema de clasificación se vuelve más difícil porque la mayoría de los no-apnéicos tiene algún otro trastorno, ya que fueron referenciados para someterse a la polisomnografía en la unidad de sueño. Determinamos las frecuencias y los anchos de banda de los formantes de las vocales e investigamos las correlaciones con variables clínicas y con la apnea obstructiva del sueño, tanto como las diferencias entre los grupos de los no-apnéicos, los casos leves y los casos graves de apnea. Al contrario de lo esperado, sólo encontramos correlaciones escasas de la apnea obstructiva con las frecuencias y anchos de bandas de los formantes.
En conclusión, demostramos que en el escenario controlado se puede mejorar la detección de la apnea obstructiva del sueño usando la información contextual (modelos ocultos de Markov) y combinando varias medidas acústicas seleccionadas. Sin embargo, en un escenario clínico real de una unidad de sueño, donde hay que distinguir la apnea obstructiva de otras enfermedades del sueño, el problema se vuelve más complejo. Se demuestra que algunas hipótesis aceptadas de otros autores (resonancias de formantes más bajas y más anchas), no se confirman.
El problema de detectar la apnea obstructiva del sueño todavía no se ha resuelto en un escenario clínico real. Sin embargo, en esta Tesis se han puesto de manifiesto las interrelaciones entre dicha enfermedad, el habla y variables clínicas, lo que ayudará a guiar futuras investigaciones que traten la conexión entre el habla y la apnea obstructiva del sueño.
