Towards detecting Alzheimer’s disease with central auditory and physiological measures

Boutros, Miriam (2025). Towards detecting Alzheimer’s disease with central auditory and physiological measures. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Alzheimer’s disease (AD) is the leading cause of dementia, with cases expected to rise substantially as the aging global population. Cognitive decline in AD often begins with subtle symptoms, such as difficulty understanding speech in noisy environments, before advancing to memory loss and severe impairments. Early diagnosis is critical, as it enables timely clinical care and creates opportunities for lifestyle changes that may delay or prevent dementia. However, current diagnostic methods, including neuropsychological assessments and neuroimaging, are expensive and unsuitable for large-scale screening, emphasizing the need for alternative accurate, accessible, and non-invasive approaches that could complement the traditional diagnostic methods.

Recent research highlights central auditory, speech, and physiological functions as promising biomarkers for early detection of AD. Central auditory processing deficits, such as reduced ability to understand speech in noise, are linked to cortical regions affected by AD and can be evaluated using accessible and non-invasive tests. Similarly, speech and lexical changes along with biosignals, such as heart rate and pupil diameter, may provide potential additional diagnostic insights. Hearable devices offer a practical platform for capturing these multimodal signals using in-ear microphones due to the occlusion effect that amplifies low-frequency signals when the ear is occluded. However, there is a lack of multimodal datasets collected from individuals with AD and mild cognitive impairment (MCI) using a hearable.

This thesis addresses this gap by introducing the Gaze and Auditory Response Database for Evaluating Neurocognitive Impairment and Alzheimer’s disease (GARDENIA), a multimodal dataset collected from 20 participants, including individuals with AD, MCI, and cognitively unimpaired controls. The dataset contains central auditory processing tests, a picture description task, in-ear biosignals, and eye-tracking data. Results indicate that cognitively impaired participants performed worse than controls across all central auditory tests, with dichotic tasks showing the strongest predictive value. Also, they demonstrate the capability of hearables to successfully administer central auditory tests. However, the analysis of heartbeats extracted from in-ear signals using Tempbeat highlighted the need for robust bio-signal extraction algorithms that are not affected by jaw movements. Overall, this work presents GARDENIA as a valuable resource for researching and developing tools for bio-signal processing that can help detecting AD.

Titre traduit

Vers la détection de la maladie d’Alzheimer à l’aide de mesures auditives centrales et physiologiques

Résumé traduit

La maladie d’Alzheimer (MA) est la principale cause de démence, et le nombre de cas devrait augmenter considérablement avec le vieillissement de la population mondiale. Le déclin cognitif associé à la MA débute souvent par des symptômes subtils, tels que des difficultés à comprendre la parole dans des environnements bruyants, avant d’évoluer vers des troubles de la mémoire et des déficiences sévères. Un diagnostic précoce est essentiel, car il permet une prise en charge clinique rapide et ouvre la voie à des changements de mode de vie susceptibles de retarder ou de prévenir la démence. Cependant, les méthodes diagnostiques actuelles, incluant les évaluations neuropsychologiques et la neuroimagerie, demeurent coûteuses et inadaptées au dépistage à grande échelle. Cela souligne la nécessité de développer des approches alternatives précises, accessibles et non invasives, pouvant compléter les méthodes diagnostiques traditionnelles.

Des recherches récentes mettent en évidence les fonctions auditives centrales, langagières et physiologiques comme des biomarqueurs prometteurs pour la détection précoce de la MA. Les déficits du traitement auditif central, tels qu’une diminution de la capacité à comprendre la parole dans le bruit, sont liés à des régions corticales affectées par la maladie et peuvent être évalués au moyen de tests simples et non invasifs. De même, les altérations du discours et du lexique, ainsi que certains bio-signaux tels que la fréquence cardiaque et le diamètre pupillaire, peuvent offrir des indices diagnostiques complémentaires. Les dispositifs « hearables » constituent une plateforme pratique pour la capture de ces signaux multimodaux à l’aide de microphones intra-auriculaires, grâce à l’effet d’occlusion qui amplifie les signaux de basse fréquence lorsque l’oreille est obstruée. Toutefois, il existe encore un manque de bases de données multimodales collectées auprès de personnes atteintes de MA ou de trouble cognitif léger (MCI) à l’aide d’un hearable.

Ce mémoire comble cette lacune en présentant la base de données GARDENIA (Gaze and Auditory Response Database for Evaluating Neurocognitive Impairment and Alzheimer’s disease), un ensemble de données multimodal recueilli auprès de 20 participants, incluant des individus atteints de MA, de MCI et des témoins cognitivement sains. La base de données comprend des tests de traitement auditif central, une tâche de description d’image, des biosignaux intra-auriculaires et des données de suivi oculaire. Les résultats indiquent que les participants cognitivement atteints ont obtenu de moins bonnes performances que les témoins à l’ensemble des tests auditifs centraux, les tâches dichotiques présentant la plus forte valeur prédictive. Ils démontrent également la capacité des hearables à administrer efficacement les tests auditifs centraux. Cependant, l’analyse des battements cardiaques extraits des signaux intra-auriculaires à l’aide de Tempbeat a mis en évidence la nécessité de développer des algorithmes d’extraction de biosignaux robustes, insensibles aux mouvements de la mâchoire. Dans l’ensemble, ce travail présente GARDENIA comme une ressource précieuse pour la recherche et le développement d’outils de traitement des biosignaux visant à améliorer la détection de la maladie d’Alzheimer.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis". Comprend des références bibliographiques (pages 69-79).
Mots-clés libres:	maladie d’Alzheimer, hearables, tests de traitement auditif central, signaux biologiques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Bouserhal, Rachel
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Niemczak, Christopher
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	24 févr. 2026 17:59
Dernière modification:	24 févr. 2026 17:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3783

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