Audiómetro digital por ordenador aplicando técnicas de "noise-shaping" en la generación de señales.
La presente invención se refiere a un audiómetro de tonos puros desarrollado sobre un ordenador personal, utilizando la conexión USB (Universal Serial Bus) para la transmisión de la señal hasta un interface USB, compatible en su salida con la excitación de los auriculares o vibrador óseo, para determinar el umbral de audición de un paciente. Es un sistema preciso, robusto y de bajo coste al no ser necesario ningún otro elemento "hardware" para cumplir con las especificaciones requeridas.
Antecedentes de la invención
Los requisitos generales para los audiómetros y los requisitos particulares para los audiómetros de tonos puros, diseñados para ser utilizados en la determinación de los niveles umbrales de audición en comparación con el nivel umbral de audición normalizado, están reflejados en la Norma Europea EN 60645-1, que a su vez adopta la Norma Internacional CEI 645-1:1992.
Uno de los elementos más importantes del audiómetro es su generador de señales. Este debe cumplir unas especificaciones de distorsión armónica, rango dinámico de niveles y ruidos indeseados (relación S/N), definidas en las normas anteriormente reseñadas. En los audiómetros controlados por ordenador, esta unidad suele ser externa al propio ordenador para cumplir tales exigencias funcionales. El ordenador se limita a dar las oportunas ordenes de control a la unidad generadora de señales y gestionar los datos de los sujetos evaluados.
Si se desea integrar el generador de señales en el propio ordenador, con objeto de simplificar el sistema y reducir costes, estas deben tener un rango dinámico de niveles de 90 dB en los audiómetros de tipo 4 y de 130 dB en los audiómetros de tipo 1, 2 y 3. Además la distorsión armónica ha de ser inferior al 2.5 % en estos últimos y como máximo del 5.5 % en los audiómetros de tipo 4. La generación digital de señales con una resolución de 16 bits está limitada a un rango de niveles en tomo a los 90 dB y la distorsión armónica en niveles bajos es muy superior a la permitida. Además la tarjeta de sonido, unidad por la que se extraen las señales de audio del ordenador, no está libre de diafonías y de ruidos eléctricos extraños que empeoran la calidad de las señales generadas. Todos estos inconvenientes hacen prácticamente inviable la utilización del ordenador como elemento generador de tonos puros en el diseño de un audiómetro.
La presente invención solventa estos problemas y describe el método y la forma en que deben generarse y extraerse las señales del propio ordenador, simplificando y reduciendo los costes del diseño del audiómetro.
Descripción de la invención
Es un audiómetro implementado en un ordenador. La generación de señales se realiza mediante un algoritmo digital que cumple con las especificaciones exigidas en la norma EN 60645-1, relativas al rango dinámico de niveles ( > 130 dB) y a la máxima distorsión armónica permitida (2.5 %). La transmisión de estas señales se realiza en formato digital a través del puerto USB. Unos auriculares y un vibrador óseo compatibles con la conexión USB garantizan la ausencia de ruidos no deseados en la señal final que se aplica al paciente. Un pulsador conectado al puerto RS-232 es el elemento que permite comunicarse al sujeto con la aplicación informática que realiza el control total del sistema.
La generación de señales se realiza según se explica a continuación. Un algoritmo iterativo calcula los sucesivos valores que conforman una señal sinusoidal de amplitud arbitraria. El número de datos digitales que deben generase depende de la frecuencia de muestreo y de la duración de la señal. Así por ejemplo, para una frecuencia de muestreo de 48000 muestras por segundo serían necesarios 24000 datos para generar una sinusoide de 0,5 segundos. Cada uno de estos datos se denominan y(n), donde n hace referencia al número de la secuencia. La expresión del algoritmo se muestra en la ecuación 1.
| y(n) = 2 cosw0y(n-1)-y(n-2) [1] |
donde w0 es la pulsación normalizada de la sinusoide que depende de la frecuencia deseada (f0) y de la frecuencia de muestreo de los datos (fs):
**(Ver fórmula)** La condiciones iniciales que deben aplicarse al algoritmo son:
donde k es la constante que determina la amplitud de la sinusoide. La precisión de los datos calculados depende del propio ordenador por lo que puede considerarse casi perfecta. Sin embargo, posteriormente los datos se truncan a un determinado número de bits (representación de coma fija) y existe un error de cuantificación. Este error se representa por e(n) y determina el rango dinámico de representación de los datos.
Por ejemplo para una cuantificación de 16 bits este rango está entorno a los 90 dB. El error cometido en el truncamiento se muestra en la ecuación 5:
**(Ver fórmula)** donde N es el número de bits de cuantificación. Este error de cuantificación se comporta como un ruido de carácter aleatorio (respuesta en frecuencia constante) cuando la sinusoide que se genera es de nivel alto. Si por el contrario se intenta generar un tono de un nivel extremadamente bajo, por ejemplo cerca de los umbrales de audición, se pierde el carácter aleatorio del ruido y este se transforma en niveles altos de distorsión de la sinusoide generada. Estos valores de distorsión son mayores a los permitidos por la norma EN 60645-1.
Es posible eliminar la distorsión generada en las sinusoides de niveles bajos si se modifica el algoritmo generador, tal como se muestra en la figura 2. La idea consiste en reinyectar el error de cuantificación y sumario con los datos y(n) antes de ser nuevamente, cuantificados a un determinado número de bits. Al hacer este proceso no sólo se elimina la distorsión sino que además se anula el ruido de cuantificación en la frecuencia de la sinusoide, aumentando de esta forma el rango dinámico de niveles entorno a los 160 dB.
Una vez generados los datos estos son guardados en ficheros en el propio ordenador. Serán reproducidos por el usuario mediante la, aplicación informática encargada de realizar todo el procedimiento de medida. La salida de estos datos se realiza por el puerto USB, en formato digital. De esta manera, utilizándose un formato digital en la salida de los datos de audio, se elimina todo riesgo de ruidos indeseados producidos por el propio ordenador en forma de diafonías o interferencias eléctricas de los distintos elementos que integran el ordenador. Unos auriculares y un vibrador óseo compatibles con el protocolo USB serán los encargados de transformar estas señales en ondas de presión acústica o en vibraciones adecuadas. Según se muestra en la figura 2, los auriculares incorporan las unidades necesarias para realizar este proceso. En primer lugar, un decodificador USB encargado de extraer de las tramas los datos digitales de audio generados desde el ordenador. A continuación un convertidor digital-analógico (D/A) que transformará los datos en señales analógicas y por último un amplificador de audio que suministrará la potencia suficiente para que los auriculares proporcionen el nivel de presión sonora suficiente, abarcando todo el rango de amplitudes especificado en la norma. La salida del amplificador puede también excitar un vibrador óseo, para producir la vibración necesaria en caso de usar la vía ósea.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 muestra el proceso de generación de los tonos puros con técnicas de "noise-shaping". En la parte izquierda se encuentra el algoritmo generador de sinusoides. Cada dato de salida y(n) es calculado a partir del dato anterior y(n-1) multiplicado por factor y sumado con el dato de una iteración previa y(n-2). Este algoritmo requiere dos registros de memoria, representados por z-1, para almacenar los dos datos mencionados. En la parte superior derecha está representado el efecto de la cuantificación a N bits mediante la adición de un ruido e(n). En la parte inferior se encuentra el algoritmo encargado de realizar el "noise-shaping", similar al utilizado en la generación de las señales. Los datos de entrada se obtienen por diferencia entre la salida y la entrada del cuantificador. Los datos de salida del algoritmo "noise-shaping" se restan a los datos que representan la señal sinusoidal y(n).
En la figura 2 se muestran los elementos que constituyen el audiómetro. Un ordenador con puerto de salida USB (Universal Serial BUS) conectado a unos auriculares y a un vibrador, compatibles USB, que incorporan el decodificador de protocolo USB para extraer los datos de audio, el convertidor D/A para transformar los datos en señales analógicas y el amplificador de audio que suministra la potencia necesaria para generar las ondas de presión acústica a través de los auriculares. Un pulsador conectado al puerto PS-232 permite la comunicación entre el sujeto y el sistema de control para determinar los umbrales de audición.
