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Actaa Oto Act Otorri rrinol nolari aringo ngoll Esp Esp.. 201 2014; 4;65(3):170---176
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ARTÍCUL ARTÍCULO O ORIGINAL ORIGINAL
Análisis acústico de la voz mediante el progama Praat: estudio estudio compar comparativo ativo con el progr rogra ama Dr. Spee Speech ch ˜ez Bata Faustin austino o Nú˜ Núnez n Batall lla a a , Rocí Rocío o Gonz Gonzál ález ez Márq Márque uez z a , M. Belé Belén n Peláe eláez z Gon Gonzále zález z b, Irene Gonzál González ez Labord Laborda a b , Marí María a Ferná ernánd ndez ez Ferná ernánd ndez ez b y Marta arta Morat orato o Galá Galán na ,∗
a b
˜a Servicio de Otorrinolaringología, Hospital Universitario Central de Asturias, de Asturias, Oviedo, Espa˜ Espana n ˜a Grado de Logopedia, Facultad de Facultad de Psicología, Universidad de Universidad de Oviedo, Oviedo, Espa˜ Espana n
Recib Recibido ido el 10 de diciembre de 2013; aceptado el 18 de diciembre de 2013 Disponible en Internet el 26 de marzo de 2014
PALABRAS CLAVE
Espectrograma; Análisis acústico; Praat; Dr.. Speech Dr
∗
Resumen Introducción y objetivos: El protocolo de la European Laringological Society (ELS) para la
valoraciónn funcio valoració funcional nal de la disfonía incluye 5 dimensiones: percepción, análisis acústico, videoestroboscopia, aerodinámica y autovaloración del paciente. El obj objeti etivo vo de este trabajo es correlacionar los resultados obtenidos con el programa comerciall Dr cia Dr.. Speech con los obtenidos con el programa gratuito Praat en 2 ámbitos: 1. Esp Espect ectrog rogram ramaa de banda estrecha (presencia de ruido según Yanagihara y presencia de subarmónicos) (semicuantitativo). 2. Parámetros acústicos de la voz (jitter, shimmer, relación armónico-ruido, frecuencia fundamental) (cuantitativo). Material y métodos: Se estudiaron un total de 99 muestras de voz diagnosticadas mediante videoestroboscopia de edema de Reinke. En este estudio un observador independiente utilizó el Dr Dr.. Speech 3.0 y otro el Praat (Phonetic Sciences, University of Amsterdam). El aná anális lisis is espectrográfico consistió en obtener un espectrograma de banda estrecha a partir de la lass anteriores voces digitalizadas por parte de los 2 observadores independientes. Después determinaron la presencia de ruido en el espectrograma siguiendo los grados de Yanagihara y la pre presen sencia cia de subarmónicos. Por último, se obtuvieron los siguientes parámetros acústicos: jitter,, shimmer jitter shimmer,, relación armónico-ruido (HNR) y el valor de la frecuencia fundamental (Fo). Resultados: Los resultados indican que el espectrograma y el parámetro de perturbación de la frecuencia jitter son comparables en los 2 programas. También es comparable el parámetro de perturbación de la amplitud shimmer, a pesar de haber analizado tanto voces de tipo 1, como de ti tipo po 2 y de tipo 3. Dr.. Speech ofrecen similares resultados en el análisis Conclusiones: Los programas Praat y Dr acústi acú stico co de las voces patológicas. © 2013 Elsevier España, S.L. Todos los derechos reservados.
Autor para corr correspon espondenci dencia. a. (F. Nú˜ Núnez n˜ez Batalla). Batalla). Correo Corre o elect electrónic rónico: o:
[email protected] (F.
00 0001 01-6 -651 519/ 9/$$ – see see fron frontt matt matter er © 2013 2013 Else Elsevi vier er Espa España ña,, S.L. S.L. Todos odos los los dere derech chos os rese reserv rvad ados os.. http://dx.doi.org/10.1016/j.otorri.2013.12.004
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Programa Praat: estudio comparativo con el programa Dr. Speech KEYWORDS
Sound spectrogram; Acoustic analysis; Praat; Dr. Speech
171
Acoustic voice analysis using the Praat program: Comparative study with the Dr. Speech program Abstract Introduction and objectives: The European Laryngological Society (ELS) basic protocol for
functional assessment of voice pathology includes 5 different approaches: perception, videostroboscopy, acoustics, aerodynamics and subjective rating by the patient. In this study we focused on acoustic voice analysis. The purpose of the present study was to correlate the results obtained by the commercial software Dr. Speech and the free software Praat in 2 fields: 1. Narrow-band spectrogram (the presence of noise according to Yanagihara, and the presence of subharmonics) (semi-quantitative). 2. Voice acoustic parameters (jitter, shimmer, harmonics-to-noise ratio, fundamental frequency) (quantitative). Material and methods: We studied a total of 99 voice samples from individuals with Reinke’s oedema diagnosed using videostroboscopy. One independent observer used Dr. Speech 3.0 and a second one used the Praat program (Phonetic Sciences, University of Amsterdam). The spectrographic analysis consisted of obtaining a narrow-band spectrogram from the previous digitalised voice samples by the 2 independent observers. They then determined the presence of noise in the spectrogram, using the Yanagihara grades, as well as the presence of subharmonics. As a final result, the acoustic parameters of jitter, shimmer, harmonics-to-noise ratio and fundamental frequency were obtained from the 2 acoustic analysis programs. Results: The results indicated that the sound spectrogram and the numerical values obtained for shimmer and jitter were similar for both computer programs, even though types 1, 2 and 3 voice samples were analysed. Conclusions: The Praat and Dr. Speech programs provide similar results in the acoustic analysis of pathological voices. © 2013 Elsevier Espa˜na, S.L. All rights reserved.
Introducción El análisis acústico de la voz basado en las medidas de la perturbación ha sido objeto de largo debate, especialmente en lo que respecta a su validez, fundamentalmente con la validez de criterio con la evaluación perceptual, punto de referencia para la valoración de la calidad vocal. Numerosos estudios han demostrado la relación que tienen los parámetros de perturbación con los correlatos perceptuales de disfonía que se califican conforme al sistema GRABS1---3 , dejando también demostrado que estos parámetros permiten documentar la severidad de una disfonía sin que se haya podido demostrar una utilidad para el diagnóstico etiológico del trastorno vocal4,5 . A pesar de ser un tema de intensa actividad investigadora, no se ha logrado extender el uso de estos parámetros de forma rutinaria en la clínica. Una de las causas sin duda ha sido el coste de los sistemas y programas de análisis acústico de la voz. Sin embargo, en la actualidad estamos asistiendo a la aparición de aplicaciones informáticas gratuitas que pueden ser utilizadas para este cometido. Uno de los programas que más amplia difusión está teniendo es el programa Praat, dise˜nado en principio para usos relacionados con la fonética instrumental, pero con gran capacidad de análisis de se˜nales acústicas y espectrografía. En este trabajo se presenta una comparación de los resultados de análisis acústico de la perturbación y espectrográficos entre un programa comercial y el Praat utilizando las mismas grabaciones de voces disfónicas, con el objeto de conocer si existen diferencias entre los mismos y aportar evidencias que apoyen la aplicación en la
clínica del último, con el fin de extender el análisis acústico de la voz en la práctica diaria.
Material y métodos Muestras vocales
Se estudiaron de forma retrospectiva un total de 99 muestras de voz correspondientes a otros tantos pacientes, diagnosticados mediante videoestroboscopia de edema de Reinke.
Grabación
La se˜nal acústica se registró mediante el uso de la aplicación Voice Assessment del programa Dr. Speech 3.0 para Windows 95. El ordenador utilizado fue un PC compatible Pentium-100 con una memoria RAM de 16 Mb. Para la digitalización de la se˜nal vocal se instaló una tarjeta de sonido compatible con Windows de 16 bit de resolución y frecuencias de registro de 44.100 (Sound Blaster 16). El micrófono es unidireccional dinámico. La frecuencia de muestreo fue de 44.100 Hz y se utilizó un micrófono de alta resolución frecuencial que se colocó a 10 cm de la boca del paciente mientras realizaba la fonación de una vocal /e/ a intensidad y tonos cómodos en una cámara sonoamortiguada. De la emisión el ordenador capta 3 seg. Se siguieron las recomendaciones del National Center for Voice and Speech6 .
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172 Análisis espectrográfico
El análisis espectrográfico consistió en la realización de un espectrograma de banda estrecha con ambos programas a partir de las voces digitalizadas que fueron entregadas a cada observador; se clasificó esas voces según la escala de Yanagihara7 y se determinó la presencia o no de subarmónicos8 . Análisis de la perturbación
Para el análisis acústico se determinaron los valores jitter, shimmer, relación armónico-ruido (HNR) y el valor de la frecuencia fundamental (F0) proporcionados por cada programa. En este trabajo se considera el jitter medio relativo y el shimmer medio porcentual. Programas de análisis acústico
El Dr. Speech Sciences para Windows de Tiger Electronics Inc. es un conjunto de programas especialmente dise˜nado para su uso en ordenadores compatibles, creado para el análisis y rehabilitación de la voz con fines clínicos, que funciona en un entorno de Windows y puede instalarse en un ordenador portátil que cumpla los requisitos. Comprende una serie de programa o módulos: evaluación de la voz (voice assessment); análisis del lenguaje (speech analysis); análisis electroglotográfico (EGG assessment); control de la evolución clínica (clinical progress tracking); entrenamiento vocal (speech training); síntesis y rehabilitación vocal (voice synthesis and therapy); generador de ondas (wave generator); fonetograma (phonetogram). En este trabajo se han utilizado los 2 primeros módulos: el módulo evaluación de la voz (voice assessment) que permite el cálculo de 5 parámetros vocales ----frecuencia fundamental (F0), jitter, shimmer, ruido glótico y la desviación estándar de la F0----. Permite la obtención de los valores numéricos y una sencilla representación gráfica del resultado de los análisis comparados con un patrón gráfico de normalidad, que posibilita evaluar rápidamente de forma visual el grado de disfonía. El módulo análisis del lenguaje (speech analysis), que mediante el empleo de 2 ventanas permite visualizar la forma de onda u oscilograma de una frase y analizar un espectrograma de banda ancha o estrecha de toda la frase o del segmento seleccionado; asimismo es capaz de dibujar sobre el espectrograma los formantes. El programa Praat es una herramienta para el análisis fonético del habla desarrollada por Paul Boersma y David Weenink en el Instituto de Ciencias Fonéticas de la Universidad de Ámsterdam9 . Se abre el programa y en la ventana Praat Objects se selecciona en el menú superior Open, seleccionamos Read from file, para escoger la voz grabada guardada previamente en una carpeta, seleccionamos el archivo que queremos analizar y aparecerá en Objects. Para obtener la F0 y el análisis de la perturbación, el jitter y el shimmer, y el HNR en la ventana Praat objects, en la columna de la derecha se selecciona View&Edit. Se selecciona Pulses y luego Show pulses, con lo que aparecen los pulsos glóticos sobre el oscilograma. A continuación se selecciona una parte de la voz o toda ella, y en el menú superior se selecciona Pulses y luego Voice report. Aparece
F. Nú˜nez Batalla et al Tabla 1
Estadística descriptiva de ambos programas
Jitter (DS) % Jitter (P) % Shimmer (DS) % Shimmer (P) % HNR (DS) HNR (P) F0 (DS) Hz F0 (P) Hz
Media
Desviación estándar
Máximo
Mínimo
0,72 0,59 3,8 3,8 20,3 20,3 175,1 169,9
1,0 0,7 3,4 3,4 6,4 6,1 48,1 49,2
5,7 17,7 23,7 21,9 31,8 30,4 289,9 282,6
0,0 0,1 0,0 0,7 0,0 1,8 86,5 84,4
DS: Dr. Speech; F0: frecuencia fundamental; HNR: relación armónico-ruido; Hz: hercios; P: Praat.
entonces una nueva ventana Praat Info, con los datos de la F0, el jitter, el shimmer y el HNR, entre otros parámetros. Los parámetros seleccionados para hacer la comparación con los que maneja el programa Dr. Speech son: Median Pitch (Hz), Jitter (rap %), Shimmer (apq 5%) y Mean harmonics-tonoise ratio (dB). Análisis estadístico
Las variables continuas se describen mediante media y desviación estándar (parámetros del análisis acústico) y las categóricas mediante frecuencias relativas (parámetros del espectrograma). Para estudiar la diferencia entre las variables continuas se utilizó el índice de correlación intraclase (ICC), que permite ver el grado de concordancia entre las medidas. Dicho índice se considera como buena correlación cuando el valor obtenido supera 0,8. En las variables categóricas se empleó el índice kappa para descartar coincidencias por azar (si es + 1 hay total acuerdo, si es --- 1 hay total desacuerdo, si es 0 indica total independencia). Las 2 muestras que indicaron resultados del análisis de la perturbación que superan el 5% fueron eliminadas del estudio estadístico por considerarse poco fiables10,11 . El análisis estadístico (previa elaboración de una base de datos) se llevó a cabo mediante el programa SPSS versión 15.0 para Windows (SPSS Inc., Chicago, IL). «
»
Resultados Análisis acústico
En todas las variables estudiadas se encuentra un elevado ICC, siendo el mínimo el obtenido para F0 (0,740) y el máximo el obtenido para el shimmer (0,903). Las diferencias obtenidas entre los resultados suministrados por ambos programas no son significativas, exceptuando el caso de la variable jitter (p = 0,005). Sin embargo, esta diferencia podría deberse a lo elevado de la correlación entre ambos programas, que haría significativas mínimas diferencias en los resultados. También podría deberse a la utilización de diferentes algoritmos por cada programa para calcular este parámetro.
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Programa Praat: estudio comparativo con el programa Dr. Speech Tabla 2
173
Resultados estadísticos Dr. Speech
Jitter (%) Shimmer (%) HNR F0 (Hz)
Praat
Media
DS
Media
DS
0,722 3,810 20,35 175,15
1,0 3,433 6,430 48,10
0,595 3,820 20,39 169,95
0,786 3,412 6,152 49,26
Valor p
ICC (CI 95%)
0,005 0,926 0,911 0,092
0,856 (,2-,7) 0,903 (,7-,9) 0,784 (,7-,8) 0,740 (,6-,9)
CI: intervalo de confianza; DS: desviación estándar; ICC: intervalo intraclases.
Tabla 3
Estadística descriptiva de la espectrografía: grados de Yanagihara y subarmónicos
Dr. Speech Praat
Grado I
Grado II
Grado III
Grado IV
Subarmónicos
41,1% 40,2%
25,2% 26,2%
24,3% 23,4%
7,5% 6,5%
38,3% 41,7%
Los resultados obtenidos en el análisis acústico de las voces pueden verse tanto en la tablas 1 y 2 como en las figuras 1 y 2.
resultado indica una correlación casi completa entre ambas observaciones. Además, el análisis de subarmónicos mostró coincidencia en 93 casos (94%), con un índice kappa de 0,873 (p =0,05).
Análisis espectrográfico Discusión En la tabla 3 se exponen la estadística descriptiva de los hallazgos espectrográficos de ambos programas. En la clasificación de las voces en la escala de Yanagihara hubo concordancia entre ambos observadores en 94 de los 99 casos (96%), con un Índice kappa de 0,940 (p = 0,03). Este
En este estudio se exponen las similitudes entre un programa comercial (Dr. Speech de Tiger Electronics) y un programa gratuito de análisis acústico de la voz (Praat) mediante el análisis de muestras vocales de 3 seg de duración de una
5
20
4
) 15 P ( r e m m i h10 S
) P ( r 3 e t t i J
2
5
1 0
0 0
1
2
3 Jitter (DS)
4
5
0
5
10 15 Shimmer (DS)
20
30 250
25 20
) P ( R 15 N H
200
) P ( 0 F
150
10 5
100 5
Figura 1
10
15 20 HNR (DS)
25
30
100
150
200 F0 (DS)
250
Correlación de las distintas variables en el análisis de la concordancia en el análisis acústico.
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F. Nú˜nez Batalla et al Jitter
Shimmer
2 4 1 s e c n e r e f f i D
2 s e c n e r e f f i D
0
0
–2
–1
–4 –2 0
1
2
3
4
5
0
5
10
15
Means
Means
HNR
F0
20
20 20 10
10
s e c n e r 0 e f f i D
s e c n e r e f f i D
0
–10
–10
–20 –20 5
10
15
20
25
30
Means
100
150
200
250
Means
Gráficos de Bland-Altman para las variables acústicas, que muestran la concordancia entre los datos obtenidos mediante ambos programas. Figura 2
vocal sostenida /e/ obtenidas de 99 pacientes diagnosticados de edema de Reinke. Existen antecedentes de estudios que han analizado las diferencias en los resultados de las medidas de perturbación entre programas de análisis acústico12---14 . En este trabajo se aborda adicionalmente la espectrografía, analizando los resultados de la clasificación del ruido y de la presencia de subarmónicos entre ambos programas. En nuestro trabajo se observa que el jitter presenta una menor correlación entre ambos programas, hallazgo que se ha comprobado también en otros estudios, donde se observa que aunque se encuentran fuertes similitudes en los resultados de la frecuencia fundamental entre los programas, las medidas de perturbación presentan unas correlaciones menos significativas, especialmente en las de la frecuencia. El hecho de que las perturbaciones de amplitud tengan mejores correlaciones que las de frecuencia se explica porque el jitter es mucho más dependiente del exacto emplazamiento de los límites de las ondas que en el caso del shimmer. Mientras que errores mínimos en la localización de los límites de la onda a˜naden de forma intensa ruido a las medidas de la perturbación de frecuencia, el efecto de tales errores supone menos detrimento en las medidas de perturbación de amplitud, dado que generalmente no son de tanta magnitud como para eliminar de forma completa el pico de un ciclo12,14 . De esta forma se explica que los estudios que comparan los resultados entre distintos programas, entre los que se incluye el presente, encuentren correlaciones débiles o moderadas en la perturbación de frecuencia y moderadas o fuertes en la perturbación de amplitud. Este
hecho hace necesario que se estudien series de personas sanas con el objeto de establecer los valores normativos para el programa Praat, tarea que no ha sido hasta el momento llevada a cabo15 . Tras estudiar las medidas de perturbación este trabajo investigó las similitudes y diferencias entre ambos programas en la espectrografía. Los trazados espectrográficos de banda estrecha se analizaron de acuerdo a la clasificación de Yanagihara y observando la presencia de subarmónicos. Se pone de manifiesto una elevada concordancia entre observadores en el análisis espectrográfico con ambos programas, tanto en la escala de Yanagihara, con una correlación casi completa, como en los subarmónicos. Los resultados mostraron una coincidencia casi absoluta, con lo que se puede concluir que el análisis espectrográfico es absolutamente comparable entre los distintos programas. Este hallazgo era esperado porque los programas producen una imagen o espectrograma que para su interpretación exige la calificación por parte del examinador, y no un algoritmo matemático que resulte en un resultado numérico. El contar con esta ventaja en la espectrografía permite comparaciones entre los resultados de distintos programas, siempre que los criterios de calificación de las gráficas sean comunes. Hay que tener en cuenta que el análisis acústico de la voz debe contar necesariamente con esta técnica para el estudio de las voces que excedan el 5% de perturbación en frecuencia o amplitud, voces que corresponderían al tipo 6 es útil clasificar, en primer ii de Titze. Según este autor lugar, las voces en 3 tipos: las voces tipo 1 son prácticamente periódicas; las voces tipo 2 contienen aperiodicidad,
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Programa Praat: estudio comparativo con el programa Dr. Speech subarmónicos o roturas de la voz; las voces tipo 3 son caóticas. Por tanto, recomienda comenzar la evaluación de la voz patológica con la realización de un análisis espectrográfico con el fin de determinar los métodos de estudio más idóneos para cada caso en particular, y tanto el espectrograma hallado con el Dr. Speech como con el Praat sirven para este fin. Las medidas de perturbación a corto plazo no son fiables si las voces contienen intermitencias, fuertes subarmónicos o modulaciones16 , por lo que las voces tipo 2 y tipo 3 solo pueden ser estudiadas a través de un método de clasificación perceptual (GRBAS), y por un método visual como el espectrograma. Por muy patológica que sea la voz siempre se dispondrá de un gráfico en el que veremos representado el ruido, los armónicos, los subarmónicos y los segmentos de vacíos de se˜nal8 . En cambio, las voces tipo 1 son las que sí pueden analizarse por medio de los parámetros de perturbación a corto plazo (jitter, shimmer, HNR) de manera fiable16 . Con este estudio de la correlación de los resultados obtenidos por 2 programas de análisis acústico, uno comercial (Dr. Speech) y otro gratuito (Praat), pretendemos apoyar con evidencias el uso de este último, lo que supondría disfrutar de algunas de las siguientes ventajas: el programa Dr. Speech está dise˜nado para el sistema operativo Windows 95/NT/98/2000/XP y no se puede utilizar con otros sistemas operativos. En cambio, el Praat se puede utilizar tanto para Windows como para Macintosh, el sistema operativo libre Linux y otros sistemas como FreeBSD, SGI, Solaris, HPUX, lo cual facilita su instalación en cualquier equipo, sin tener que disponer de un sistema operativo concreto. El Programa Praat es un software de código abierto (en inglés open source software u OSS), es decir, está licenciado de tal manera que los autores exponen de forma abierta el código fuente, los algoritmos utilizados en el programa para cada parámetro son de dominio público, no tienen derechos de autor, y esto les permite a los usuarios utilizar, cambiar y mejorar el software. De este modo, gracias a la colaboración entre autores y usuarios el programa se desarrolla más rápidamente que un programa comercial. El programa Praat es gratuito, por lo que se encuentra disponible para todos los profesionales de la voz, ya se encuentren en instituciones o en gabinetes particulares. Según el estudio de Rodríguez-Parra et al.17 el 62% de los servicios de ORL espa˜noles no disponen de laboratorio de voz, a pesar de que actualmente puede considerarse esencial en la evaluación y tratamiento de pacientes con alteraciones vocales y para la investigación clínica de esos trastornos18 . La función vocal es multidimensional3 y por tanto su evaluación también tiene que ser multidimensional, incluyendo: percepción, análisis acústico, videoestroboscopia, aerodinámica y autovaloración del paciente19 . Así pues, el hecho de disponer de programas gratuitos fiables debería favorecer su extensión tanto en instituciones públicas como en consultas privadas con bajo presupuesto. Esto es importante sobre todo para los profesionales que trabajan de manera autónoma. El número de pacientes con trastornos de la voz que suele acudir a una consulta privada de logopedia en relación con otras afecciones, no suele justificar la inversión económica en un programa comercial, pero la existencia de programas gratuitos válidos, fiables,
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con mínimos requisitos de equipamiento y fácilmente manejables contribuye a la mejora de la calidad de la asistencia al paciente. Derivado de este trabajo, y para poder emplear en el ámbito clínico el programa Praat, es necesario que se estudien series de personas sanas con el objeto de establecer los valores normativos del mismo, tarea que no ha sido hasta el momento llevada a cabo.
Conclusiones El espectrograma obtenido con el programa Praat es comparable al hallado con el programa Dr. Speech. Se encuentran correlaciones débiles o moderadas en la perturbación de frecuencia, y moderadas o fuertes en la perturbación de amplitud.
Conflicto de intereses Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
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