Determinación del Tamaño Óptimo de Modelos HMM-GMM para Clasificación de las Señales Bioacústicas / Determining optimal size of HMM-GMM models to classify bio-acoustic signal

Resumen Este artículo está relacionado con el análisis y la propuesta de una arquitectura HMM-GMM para clasificación de señales HS y LS, haciendo un énfasis en el tamaño del modelo. Actualmente, las enfermedades respiratorias y cardiovasculares son un problema a nivel mundial y con una alta mortandad, esto podría ser disminuido mediante un diagnóstico temprano y objetivo; las herramientas digitales y el empleo de reconocimiento de patrones ampliarían las perspectivas de aplicación. Particularmente, aquí se demuestra que los modelos HMM-GMM son eficientes para consultorios de atención primaria, así mismo los extractores de características tales como MFCC y Cuantiles mejoran la tarea de clasificación. Si bien la visualización con siluetas, dendrogramas y algoritmos tales como BIC no son concluyentes cuando se aplican GMM's, no obstante sí fue el punto de partida para dimensionar el tamaño del modelo, disminuyendo la cantidad de experimentos con distintos tamaños del mismo. Adicionalmente, se constata que la estructura de señales normales HS y LS cambian cuando hay patologías y permite la clasificación aplicando MFCC o Cuantiles. Además, se observa que con una gran cantidad de datos se podrían obtener modelos más robustos y adaptados, pero esto no es una limitante para el cálculo de los modelos.

Abstract This paper demonstrates the analysis and proposed HMM-GMM models architecture to classify heart and lung sounds (HS and LS) signals emphasizing the model size optimization. Respiratory and cardiovascular diseases continue to represent one of the major worldwide healthcare problems associated with a liigli mortality rate, wliicli can be reduced by an early and effective diagnosis; in this context, the use of digital tools utilizing signal pattern recognition allows efficient screening for abnormalities and their quantitative assessment. In particular, the HMM-GMM models demonstrated their efficiency in normal and traditionally noisy environments in light of very low intensities of these auscultation signals used as diagnostic indicators. Furthermore, applied MFCC and Quantiles feature extractors improve overall classification. While characterization with silhouettes, dendrograms and algorithms such as BIC was inconclusive when GMM was applied, however they were useful as a starting point in the determination of a size of the model as it allowed a reduction in the number of iterations considering different model size. In addition one can note that application of MFCC or Quantiles allowed differentiating the characteristics of normal HS and LS from those associated with pathological conditions. Furthermore, it was observed that a large amount of data leads to more robust and adapted models, but does not limit the calculation demand. Overall, this approach may enhance efficiency and precision of the diagnostic screening for abnormal auscultation indicators.

Modelos Acústicos HMM Multimodales para Sonidos Cardiacos y Pulmonares / Multimodal acoustic models HMM applied to heart and lung sounds

Este artículo muestra el proceso de clasificación de señales bioacústicas normales y anormales registradas sobre el tórax humano lo cual incluye los sonidos de corazón y del pulmón. La idea específica es diseñar un sistema de clasificación de señales basado en técnicas de modelado acústico empleando particularmente modelos HMM para detectar secuencias de eventos, y GMM para modelar cúmulos que corresponden a los datos de los eventos. Las modalidades para extraer las características de los datos son vectores MFCC y Octiles. Esta aproximación tiene el potencial de mejorar la clasificación de la precisión en indicadores de diagnóstico auscultatorios, esto es interesante ya que los modelos HMM han demostrado ser menos sensibles al ruido en estudios previos. Resultados preliminares demuestran una precisión del 95% en clasificación de las señales de sonido evaluadas. Esto es particularmente critico tomando en cuenta la interferencia ambiental en una variedad de consultorios médicos. Debido a que algunas frecuencias del sonido cardiaco son paralelas a los sonidos pulmonares, estas pueden ser modeladas a partir de un mismo registro. Resultados experimentales preliminares de esta aproximación demuestran que es factible el desarrollo de valoraciones de diagnóstico automatizado de pacientes mediante identificadores de diagnóstico auscultatorios en forma temprana usando tecnologías de bajo costo.

This paper demonstrates classification processes of normal and abnormal bioacoustics signals recorded over a human thorax which encompasses heart and lung sounds. The specific aim is to design a signal classification system based on acoustical modeling techniques employing particularly HMM models to detect events' sequences, and GMM to model clusters corresponding to the data events. The modalities for extracting data characteristic are the MFCC and Octile vectors. These approaches have a potential of enhancing the classification accuracy of these auscultatory diagnostic indicators as the initial studies demonstrated that the HMM based models are less sensitive to the noise. Preliminary results demonstrate over 95% accuracy in classification of the evaluated sound signals. This is particularly critical taking into account environmental interference in a variety of medical care settings. As the heart sounds frequency components parallel those of the lungs sounds, but with a different periodicity, they can be modeled with the same recording. The preliminary experimental results are supportive of this approach and demonstrate feasibility of a development of an automated early diagnostic assessment of patients' auscultatory diagnostic indicators utilizing low cost technologies.