Warsztaty foniatryczne Badania instrumentalne w foniatrii: wideolaryngostroboskopia, kimografia, analiza akustyczna Techniki badania i interpretacja wyników M. Just1, M.H. Tyc1

1 – DiagNova Technologies sp.j., Wrocławski Park Technologiczny

Łódź, 06–07 marca 2014

Plan • • • • • •

Wstęp Przygotowanie i konfiguracja wideostroboskopu Przygotowanie optyki – przede wszystkim ostrość Realizacja nagrania Analiza nagrania klatka po klatce Kimografia

• •

Analiza przekrojów kimograficznych Parametryzacja ruchu fałdów

•

Analiza akustyczna

•

Dokumentowanie badania foniatrycznego

– – – –

wybór fragmentu (co najmniej 2 cykle, widoczne fałdy) stabilizacja obrazu fałdów poprawianie przekroju kimograficznego weryfikacja poprawności przekroju kimograficznego

– –

segmentacja obrazu – wyznaczenie szpary głośni wyznaczenie parametrów opisujących ruch krawędzi fałdu dla każdego przekroju przez fałdy

– – – – –

rejestracja sygnału wyznaczanie częstotliwości podstawowej z weryfikacją spektrogramy parametryzacja wykorzystanie do weryfikacji badania wideostroboskopowego

– – – – – –

dobór klatek z filmu zestaw przekrojów kimograficznych sekwencja "kimograficzna" wykresy parametryzujące ruch fałdów fonowibrogram analiza akustyczna

Przygotowanie i konfiguracja wideostroboskopu

• Podłączenie

– o ile to możliwe należy wybierać łącze cyfrowe (ostatnio popularne stają się DVI oraz HDMI) – monitor o dobrej jakości kolorów i szerokich, zwłaszcza w pionie, kątach dobrego widzenia

• Oprogramowanie

– łatwe sterowanie nagrywaniem (przycisk nożny lub przy optyce) – problem opóźnienia przy nagrywaniu – Co nagrywać – klatki czy sekwencje? Sekwencje!

• Jakość obrazu

– balans bieli – światło i jeszcze raz światło

• „Slow motion” poprzez stroboskopię

– prawidłowe określanie częstotliwości pracy fałdów (warunkiem niezakłócona praca mikrofonu wideostroboskopu) – Ustawienie długości cyklu „slow motion” – 25 klatek na cykl pracy fałdów

Przygotowanie optyki – przede wszystkim ostrość

• Dezynfekcja – zaplanowanie miejsca pracy • Zapobieganie parowaniu optyki – nagrzewanie, ale nie zawsze – środki chemiczne

• Ustawienie ostrości – wstępne ustawienie ostrości – korekta „w biegu”

Realizacja nagrania

• Widoczność i rozmiar fałdów na nagraniu • Stabilność obrazu • Długość nagrania (widoczne co najmniej 2–3 cykle pracy fałdów)

• Kwestia praktyki i znalezienia własnego sposobu • Wymagania co do jakości nagrania – Im planowany zakres analiz jest większy, tym nagranie musi być staranniejsze (zasada „Z pustego i Salomon nie naleje”)

• Wideostroboskop to nie szybka kamera – ma ograniczenia

Analiza nagrania klatka po klatce

• Ciągle jest to podstawowy rodzaj analizy nagrania „slow motion” • Materiał do analizy obejmować może setki klatek • Analiza musi być uważna, o poprawnym zdiagnozowaniu patologii przesądzić może jedna klatka • Dobry dobór klatek do dokumentacji

Analiza obrazu klatka po klatce. Poprawianie obrazu

Przykłady użycia korekcji barwnej i filtracji do poprawienia obrazu endoskopowego

Analiza obrazu klatka po klatce. Uwaga na przeplot Przeplot zwykle nie jest widoczny w danych nagranych stroboskopowo, jeśli jednak istnieje, należy go bezwzględnie usunąć przed przystąpieniem do wszelkich analiz.

Kimografia • •

Kimografia to nie analiza danych. Nie są też generowane nowe dane. To tylko zmiana sposobu prezentacji danych Wynikowe przekroje kimograficzne są tak dobre, jak dobre było nagranie wejściowe kolejne klatki filmu domena czasowa

kimografia

przekrój przez fałdy domena przestrzenna (położenie na fałdzie)

Kimografia. Kolejne etapy •

Wybór fragmentu (co najmniej 2 cykle, widoczne fałdy)

•

Stabilizacja obrazu fałdów i kadrowanie

•

Wykonanie przekroju kimograficznego prostopadle do osi fałdów

•

Poprawianie przekroju kimograficznego

•

Weryfikacja poprawności przekroju kimograficznego

preprocesssing

postprocessing

Kimografia. Wybór fragmentu nagrania • •

• • • •

Poprawna sekwencja „slow motion” pracy fałdów podczas fonacji Co najmniej 2 cykle, co przekłada się na około 50 klatek filmu w wybranym fragmencie sekwencji Górna granica ilości cykli związana z możliwościami technicznymi sprzętu, zwykle około 100 klatek (4 cykle) Widoczne fałdy, o ile to możliwe, widoczne spoidło przednie i tylne Inne struktury anatomiczne nie zasłaniają (nawet chwilowo) krawędzi wewnętrznej fałdów Początek i koniec nagrania w podobnej fazie ruchu, najlepiej pośredniej pomiędzy zamknięciem i pełnym otwarciem

Kimografia. Stabilizacja obrazu fałdów i kadrowanie Funkcje • Odrzucenie zbędnych części obrazu • Usunięcie pozornych ruchów i zmiany rozmiaru fałdów związanych z niechcianym ruchem końcówki endoskopu • Ustawienie fałdów na środku z osią fałdów pokrywającą się z osią całego obrazu

Kimografia. Stabilizacja obrazu fałdów i kadrowanie Realizacja • Automatyczne śledzenie przez komputer położenia wskazanych punktów (nieruchomych w stosunku do spoideł fałdów) na kolejnych klatkach filmu Schemat postępowania • Zaznaczenie punktów do śledzenia (na rysunkach na żółto) • Zaznaczenie spoideł lub innych punktów na osi fałdów • Uruchomienie automatycznej procedury stabilizacji i kadrowania

Kimografia. Wykonanie prostopadłego przekroju przez fałdy

Kimografia. Poprawianie przekroju Usunięcie wahań jasności • Charakterystyczne dla starszych modeli wideostroboskopów klasycznych (nie migawkowych) bez synchronizacji błysku z migawką kamery przed

po

Kimografia. Weryfikacja poprawności przekroju • •

Co najmniej dwa cykle pracy fałdu Symetryczne (względem osi fałdu) krawędzie zewnętrzne fałdów, ewentualnie, przy braku widoczności jednej z krawędzi gładki przebieg linii kreślonej przez krawędź drugiego

Kimografia. Weryfikacja poprawności przekroju. Najczęstsze błędy Zbyt mała ilość cykli pracy fałdów w analizowanej sekwencji

błędny

prawidłowy

Kimografia. Weryfikacja poprawności przekroju. Najczęstsze błędy Niestabilne położenie fałdów głosowych na nagraniu

błędny

po korekcie

Kimografia. Weryfikacja poprawności przekroju. Najczęstsze błędy Błędy synchronizacji stroboskopii z ruchem fałdów

zamrożony ruch fałdów

symetryczne poszarpanie linii ruchu spowodowane nieregularnymi ruchami fałdów

Kimografia. Analiza przekrojów •

Analizę przekrojów kimograficznych prowadzić można na dwa sposoby – –

•

Ocenę zasięgu patologii (np. zakres fałdu ze zdiagnozowaną niedomykalnością) Ocenę stopnia patologii (poziom asymetrii pracy fałdów)

Oba sposoby mogą dotyczyć tej samej patologii (np. dla niedomykalności można podać zakres fałdu, na którym występuje, jak również jej poziom poprzez określenie stopnia zachowania szczątkowego ruchu fałdów w miejscu niedomykania)

Kimografia. Analiza przekrojów – ocena typu patologii

niedomykalność

asymetria pracy fałdów (leukoplakia prawego fałdu głosowego)

różnica fazy (niewydolność głośni)

Parametryzacja ruchu fałdów

Prezentacja wybranych klatek z zarejestrowanej sekwencji „slow motion” czy też przedstawianie przekrojów kimograficznych jest opisem jakościowym i ostatecznie opiera się na interpretacji przedstawionych obrazów przez specjalistę. Opis taki zawsze jest w pewnym stopniu subiektywny – zależny od zbioru doświadczeń diagnosty. Następny stopień obiektywizacji obrazowego badania foniatrycznego musi polegać na wprowadzeniu opisu ilościowego obserwowanych zjawisk, czyli na sparametryzowaniu ruchu fałdów. Etapy parametryzacji 1. Segmentacja – wyznaczenie szpary głośni albo wewnętrznej krawędzi fałdów 2. Wyznaczenie krzywej ruchu fałdów dla każdego przekroju przez fałdy 3. Określenie wartości parametrów na podstawie kształtu krzywych ruchu fałdów

Parametryzacja ruchu fałdów. Wyznaczenie szpary głośni

Parametryzacja ruchu fałdów. Określenie wartości parametrów

Część nie zamykająca się: 0% Część nie otwierająca się: 17%

Średnia asymetria na całej długości: 0,13 Średnia różn. fazy na całej długości: 3,12°

Część nie zamykająca się: 0% Część nie otwierająca się: 14%

Średnia asymetria na całej długości: 0,16 Średnia różn. fazy na całej długości: 0,51°

Część nie zamykająca się: 33% Część nie otwierająca się: 11%

Średnia asymetria na całej długości: 0,24 Średnia różn. fazy na całej długości: 7,67°

Część nie zamykająca się: 0% Część nie otwierająca się: 17%

Średnia asymetria na całej długości: 0,53 Średnia różn. fazy na całej długości: 38,62°

Analiza akustyczna. Schemat postępowania Wybór typu analizy (wybór treści nagrania)

Rejestracja materiału audio Korekta ustawień wyznaczania F0

Wyznaczenie częstotliwości podstawowej z weryfikacją Częstotliwość wyznaczona błędnie

Częstotliwość niewyznaczalna

nie

Diagnoza i dokumentowanie na podstawie spektrogramu

Wyznaczenie statystyk F0 i formantów

Częstotliwość wyznaczalna

Czy wykres częstotliwości płaski i fonacja „a”

tak

Pełna diagnostyka parametryczna

Analiza akustyczna. Wybór typu analizy

• Różne cele diagnostyczne wymagają różnych typów analiz

– Rejestrowany materiał audio eksponuje pożądane cechy – Dopasowany do rejestrowanego materiału audio sposób nagrywania (nagranie inicjowane przez operatora lub przez pacjenta, ew. sposób fonacji kontrolowany przez komputer) – Wyznaczane odmienne zestawy parametrów – Różne sposoby prezentowania wyników Dostępne analizy: – Klasyczna diagnostyczna (fonacja dwukrotnej głoski „a”) – Wydolnościowa (fonacja maksymalnie wydłużonej głoski „a”) – Próba obciążeniowa (wielokrotna analiza diagnostyczna rozdzielana zadaniem głosowym obciążającym narząd głosu) – Analiza frazy złożonej (wyraz lub zdanie) – Analiza powtarzalności (analiza frazy powtarzanej – analiza neurologiczna, neurologopedyczna itp.) – Analiza głosów śpiewaczych (pole głosowe, analiza przejść międzyrejestrowych)

Analiza akustyczna. Rejestracja próbki

• Warunki

– wygłuszone pomieszczenie (brak odbić dźwięku od ścian) – brak zakłóceń – odpowiednia odległość ust badanej osoby od mikrofonu (około 10 cm)

• Sprzęt

– mikrofon pojemnościowy o płaskiej charakterystyce w zakresie 100Hz – 10kHz – przedwzmacniacz do mikrofonu z zasilaniem „fantom” – Dla nagrań diagnostycznych rozdzielczość 16 bitów, częstotliwość próbkowania 22050 Hz, do nagrań „śpiewaczych” dwa mikrofony oraz częstotliwość próbkowania 44100 Hz

• Nagrywana fraza

– adekwatna do celu analizy

(przykładowo, klasyczna analiza diagnostyczna – podwójna fonacja „a” z sekundowym odstępem pomiędzy głoskami)

Analiza akustyczna. Wyznaczanie częstotliwości podstawowej • •

Problemy z najniższym formantem i subharmonikami Praktycznie zawsze niezbędna weryfikacja za pomocą spektrogramu błędnie wyznaczone

poprawnie wyznaczone (lub po korekcie)

Analiza akustyczna. Weryfikacja częstotliwości podstawowej •

Linia F0 powinna pokrywać się z najniższą, występującą jedynie podczas fonacji i możliwie ciągłą, linią spektrogramu

poprawnie

błędnie

Analiza akustyczna. Spektrogramy transformata Fouriera

domena czasowa

domena częstotliwościowa

Analiza akustyczna. Spektrogramy

Analiza akustyczna. Parametryzacja Parametryzacja jest ukoronowaniem całego szeregu analiz. Poprzedzają ją m.in.: • redukcja, • filtracja, • segmentacja. Aby parametryzacja była prawidłowa, wszystkie wcześniejsze operacje muszą być przeprowadzone prawidłowo. Szczególnie wymagający jest etap segmentacji (wyznaczenia częstotliwości podstawowej) i należy poświęcić mu odpowiednią uwagę. Sama parametryzacja jest zwykle operacją stosunkowo prostą. Parametry obliczane są za pomocą prostych wzorów, z bezpośrednim wykorzystaniem wyników segmentacji.

Analiza akustyczna. Parametryzacja – wybrane parametry

Analiza akustyczna. Parametryzacja – prezentacja wyników Głos – wizualne przedstawienie parametrów w stosunku do tzw. normy

Analiza akustyczna. Wykorzystanie do weryfikacji badania wideostroboskopowego

• Wideostroboskop musi zsynchronizować się z ruchem fałdów głosowych, w tym celu sam przeprowadza analizę akustyczną i wyznacza częstotliwość podstawową – wideostroboskop może się mylić – fałdy mogą drgać zbyt nieregularnie lub nieregularności tworzą większe segmenty

• Ostatecznym sposobem na weryfikację wybranych aspektów badania wideostroboskopowego jest analiza akustyczna (obserwacja oscylogramu i spektrogramów)

Dokumentowanie badania foniatrycznego

• Skondensowana forma (przykładowo, użycie fonowibrogramów)

• Umożliwienie obiektywnej diagnozy • W miarę możliwości zawierać powinna – – – – –

wybrane klatki z filmu zestaw przekrojów kimograficznych wykresy parametryzujące ruch fałdów fonowibrogram Wykresy analizy akustycznej (spektrogram, fragment oscylogramu, wykresy zmian wybranych parametrów, wykresy słupkowe parametrów, dobór wykresów, np. spektrogramów uzależniony od typu badania) – Jako uzupełnienie dołączać można sekwencję kimograficzną

Dokumentowanie badania foniatrycznego. Fonowibrogramy – generacja

Śladowa niedomykalność

Duża niedomykalność

Dokumentowanie badania foniatrycznego. Fonowibrogramy – przykłady

Prawie wzorcowa praca fałdów

Praca poprawna, nieco nadmiernie wydłużona faza zamknięcia

Fonowibrogram. Przykład 2

Prawie wzorcowa praca fałdów

Niedowład mięśni zwierających i napinających krtań z wrzecionowatą niewydolnością głośni, kwalifikujący się do uznania choroby zawodowej. Kolor niebieski oznacza fałd przekraczający oś symetrii

Fonowibrogram. Przykład 3

Prawie wzorcowa praca fałdów

Niedomykalność wrzecionowata, faza zamknięcia skrócona, różnica fazy pomiędzy fałdami. Kolor niebieski oznacza fałd przekraczający oś symetrii

Dokumentowanie badania foniatrycznego. Przykład

Zakończenie

Dziękujemy za uwagę