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Audiómetro digital inalámbrico con control activo de ruido OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se relaciona, en general, con la audiología, el procesado digital de audio y la acústica, y más específicamente, con el control activo de ruido acústico. Los ámbitos de aplicación de la invención están ligados a la propia audiología. Es decir, fundamentalmente en los siguientes sectores: Sector médico: para diagnosis de disfunciones del sistema auditivo. Sector industrial: para realizar el seguimiento de la función auditiva dentro de los programas de prevención de riesgos laborales.
Más particularmente, la presente invención se refiere a un audiómetro inalámbrico, que usa Bluetooth y proporciona control activo del ruido ambiental externo.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los requisitos generales para los audiómetros, utilizados en la determinación de los niveles umbrales de audición (referenciados 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.
Cuando se intenta implementar un audiómetro inalámbrico vía bluetooth hay que asegurarse que los requisitos de calidad de las señales audiométricas, impuestos por el estándar EN60645-1, no se vean alterados ni en amplitud ni en frecuencia. La transmisión de audio por bluetooth para dispositivos multimedia (auriculares, altavoces y decodificadores de audio) está definida en el perfil de bluetooth A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) . Los datos de audio son de 16 bits y se codifican con objeto de reducir su régimen binario (bits/seg) y así permitir una transmisión eficiente a través del enlace bluetooth. Esta codificación elimina una gran parte de la señal de audio (>75%) que no es perceptualmente significativa para nuestros oídos. Existen tres formatos de codificación en bluetooth: SBC (Sub-Band Coding) , aptX y AAC (Advanced Audio Coding) . Sólo el primero de ellos es obligatorio en los codecs de audio bluetooth. Los otros dos son opcionales y depende de cada fabricante la
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incorporación de los mismos en el codec. Todos ellos son eficientes desde el punto de vista de una transmisión multimedia de consumo (voz, audio, etc.) pero, por el contrario, no lo son para transmitir señales audiométricas. Estas requieren unos parámetros de calidad que pueden perderse en la digitalización (muestras de 16 bits) y en la propia codificación.
El margen de frecuencias de trabajo de los tres formatos de Bluetooth es más que suficiente para las señales con las que opera un audiómetro (125 Hz - 8 kHz) . Sus parámetros más críticos están relacionados con el margen dinámico y con la máxima distorsión armónica total permitida. En primer lugar, una digitalización de 16 bits por muestra no permite tener rangos dinámicos sin distorsión superiores a 80 dB. En segundo lugar, los formatos de codificación perceptual SBC, aptX y ACC pueden variar el rango dinámico de las señales que codifican atendiendo sólo a razones perceptuales y de régimen binario, perdiendo, por tanto, los criterios de calidad que se les exige a las señales audiométricas de ensayo.
Además, el estándar EN 60645-1 establece una distorsión armónica total máxima del 2.5%; y en cuanto a rango dinámico se especifica un valor de 130 dB en el audiómetro tipo 1, de 120 dB en el audiómetro tipo 2, de 110 dB en el audiómetro tipo 3 y de 80 dB en el audiómetro tipo 4. Estos valores pueden reducirse, según fija la norma, 10 dB si se utilizan auriculares circumaurales o insertos.
Los audiómetros generan una serie de señales de prueba dentro de un gran rango dinámico de niveles, desde niveles umbrales hasta niveles cercanos al umbral de dolor. Cuando se generan señales de nivel bajo, cercanas al umbral de audición, hay que tener en cuenta el nivel de ruido acústico ambiental. Este nivel no debe llegar a enmascarar la señal de audiometría. En una sala, por muy silenciosa que sea, siempre existe algún tipo de ruido que hace inviable la medida (por ejemplo el ventilador del propio ordenador, el aire acondicionado, etc.) .
Este problema se solventa hoy en día con una cabina audiométrica de aislamiento acústico, una cabina herméticamente cerrada que asegura una determinada atenuación del ruido acústico exterior (se permite un nivel de ruido interno de aproximadamente unos 30 dB SPL -nivel de presión sonora-) . El estándar ISO 8253-1 especifica los niveles máximos de ruido ambiente permitidos para realizar las medidas audiométricas, estándar equivalente al ANSI/ASA S3.1-1999 (R-2008) . La cabina acústica es un elemento dimensiones importantes y de un coste elevado que encarece el sistema de medidas audiométricas. Además, si no se
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dispone de ella, los ensayos audiométricos sólo pueden hacerse en entornos acústicos silenciosos, y no siempre se tiene acceso a ellos. Es, por tanto, un elemento cuya función de aislamiento acústico sería deseable que pudiera ser realizada de otra manera, con objeto de minimizar costes y para hacer portable el sistema audiométrico, manteniendo siempre las condiciones acústicas que exige el estándar ISO 8253-1.
Por otro lado, las técnicas de control activo de ruido se conocen desde hace tiempo. En los últimos años, sólo cuando se han podido desarrollar dispositivos electrónicos capaces de realizar todo el procesado digital en tiempo real, se han implementado estas técnicas en distintas aplicaciones: en conductos (por ejemplo para eliminar el ruido de los sistemas de extracción de aire) , en auriculares de protección acústica (personas expuestas a altos niveles de ruido de forma permanente) y en auriculares de consumo (para tener una mejor calidad de las señales de audio que se escuchan a través de los dispositivos multimedia, teléfonos inteligentes o tabletas) . También se empiezan a aplicar últimamente en otros escenarios acústicos como, por ejemplo, en medios de transporte (trenes, aviones, automóviles, etc.) , para eliminar el ruido acústico al que están sometidos los pasajeros.
Un sistema de control activo de ruido es un sistema capaz de eliminar el ruido acústico emitiendo una réplica del mismo en oposición de fase. Mediante un dispositivo electroacústico (altavoz) se generan ondas de presión acústica de tal forma que, en un determinado punto del medio acústico, sean una réplica exacta, pero invertida, de las ondas de presión que se desean cancelar (ruido) . La suma de ambas ondas produce una cancelación acústica (funcionamiento ideal) o, en la práctica, una determinada atenuación acústica (20-30 dB) .
El control activo de ruido funciona de forma óptima en espacios donde se produce una propagación de ondas acústicas planas (conductos) y en entornos de cancelación de pequeñas dimensiones (auriculares anti-ruido) . Cuando se intenta cancelar grandes recintos acústicos la bondad de estas técnicas se desvanece; el sistema de control se hace excesivamente complejo (sistema multicanal) y, además, las zonas de cancelación obtenidas no llegan a ser de grandes dimensiones, dependen siempre de la longitud de onda (de las ondas de presión acústica) . Por ejemplo, para una onda de presión acústica de frecuencia 100 Hz la zona de cancelación (equivalente a una esfera virtual de cancelación) viene a ser del orden de 34 cm, para una frecuencia de 1 kHz es de sólo 3, 4 cm, y para 10 kHz la zona de cancelación es ínfima: unos 3.4 mm. Por tanto, en la práctica, la cancelación
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acústica sólo es viable en bajas frecuencias. Sin embargo, esta limitación no es tal cuando la zona de cancelación se sitúa exactamente en el propio oído -entorno de cancelación de dimensiones mínimas-, utilizando unos auriculares con cancelación activa de ruido. En este escenario acústico de cancelación, la zona de control se puede fijar exactamente en el propio oído, en el comienzo del canal auditivo, que es donde interesa anular/atenuar el ruido exterior, de forma equivalente a como lo hiciera una cabina audiométrica de aislamiento.
El problema técnico objetivo que se presenta es pues proveer un audiómetro, en el que el aislamiento acústico no requiera cabina de aislamiento, con algoritmos de procesado digital de la señal para generar señales sinusoidales que mantengan un rango dinámico y una distorsión armónica total dentro de las especificaciones establecidas en el estándar EN 60645-1, en sus distintos tipos de audiómetro (tipos 1, 2, 3 y 4) a pesar de manejar longitudes de muestra de audio de 16 bits y estar sometidos a una codificación perceptual (SBC, aptX y AAC) .
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención sirve para solucionar el problema mencionado anteriormente, resolviendo los inconvenientes que presentan las soluciones comentadas en el estado de la técnica, mediante:
a) el uso de algoritmos configurados para generar señales audiométricas de baja distorsión (<2.5%) , que pueden ser transmitidas vía bluetooth solventando las limitaciones de sus formatos de codificación (SBC, aptX y AAC) y con muestras de audio de 16 bits; y b) el uso de medios para el control activo de ruido que permiten prescindir de la cabina audiométrica y conseguir una atenuación acústica del ruido exterior, suponiendo con la eliminación de la cabina audiométrica un ahorro de costes en el dispositivo de medidas audiométricas (audiómetro) que aquí se presenta.
La presente invención se refiere a un audiómetro de tonos puros, según las especificaciones establecidas en el estándar EN 60645-1, implementado en un entorno completamente digital, con todos sus elementos enlazados de forma inalámbrica vía bluetooth. El audiómetro propuesto dispone de un sistema de control activo de ruido que garantiza unas condiciones acústicas óptimas de medida sin la necesidad de tener una cabina audiométrica de aislamiento.
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El audiómetro es aplicable en dispositivos móviles de última generación (por ejemplo, teléfonos inteligentes y tabletas) , integrable con el hardware y software disponibles en dichos dispositivos y con los sistemas operativos existentes, Android e IOS. Esto permite una gran flexibilidad en el diseño del audiómetro, sin perder calidad alguna en las señales generadas por el audiómetro gracias al uso de técnicas de procesado digital de señales.
Un aspecto de la invención se refiere a un audiómetro digital inalámbrico, que comprende los siguientes medios:
- dispositivo móvil, que es un terminal de usuario inalámbrico, tal como un teléfono móvil inteligente o una tableta y que dispone de un generador de señales de audiometría para realizar medidas audiométricas implementado como una aplicación informática (app) ;
- al menos una interfaz o adaptador de audio bluetooth que conecta el dispositivo móvil con un transductor (por ejemplo, unos auriculares inalámbricos) para enviar fuera del dispositivo móvil (al transductor) las señales generadas de audiometría -sistema de control activo de ruido que se conecta al, al menos un, adaptador de audio bluetooth, estando el sistema de control activo de ruido y el adaptador de audio bluetooth conectados e incorporados en unos auriculares bluetooth.
El dispositivo móvil del usuario dispone de una aplicación informática (app) configurada para cumplir con toda la funcionalidad requerida a los audiómetros tipo 1, 2, 3 y 4 del estándar EN 60645-1. La aplicación informática genera las señales audiométricas, de acuerdo a las especificaciones requeridas para los audiómetros tipo 1, 2, 3 y 4 del estándar EN 60645-1, utilizando algoritmos de procesado digital de señal.
Las interfaces de audio bluetooth conectan el dispositivo móvil con sendos transductores, auriculares y vibrador óseo, que reciben las señales audiométricas generadas.
Las ventajas de la presente invención son fundamentalmente el coste y la portabilidad de uso, posibles gracias a que el audiómetro está implementado en un dispositivo de uso común, como puede ser un teléfono inteligente (smartphone) o una tableta (tablet) y porque, gracias al sistema de control activo de ruido acústico que incorpora, prescinde de la cabina de aislamiento acústico, sin perder por ello la calidad requerida por el estándar EN 60645-1, en cualquiera de sus tipos de audiómetro (tipos 1, 2, 3 y 4) . El sistema de control activo de ruido incorporado en los auriculares del audiómetro permite tener atenuaciones del ruido 6
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ambiente externo, tal como lo haría una cabina audiométrica de aislamiento, para conseguir niveles en el interior del oído de unos 30 SPL (nivel de presión sonora) , ajustados a los estándares ISO 8253-1 y ANSI/ANSA S3.1-199 (R-2008) .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
FIGURA 1. Muestra un diagrama de bloques de la arquitectura de sistema de un audiómetro digital con bluetooth y control activo de ruido, según una realización preferente de la invención.
FIGURA 2. Muestra un diagrama de bloques de la arquitectura del sistema control activo de ruido, mediante técnicas de retroalimentación, según una posible realización de la invención.
FIGURA 3. Muestra un diagrama de bloques de la arquitectura del sistema control activo de ruido, mediante técnicas de anticipación, según otra posible realización de la invención. 20
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques del audiómetro digital bluetooth con control activo de ruido acústico propuesto, en el que se aprecian las diferentes partes que comprende: un dispositivo móvil (1) , por ejemplo un teléfono inteligente o una tableta; dos interfaces bluetooth o adaptadores de audio bluetooth (8, 9) para tener salidas digitales audiométricas fuera del entorno del dispositivo móvil (1) ; generador de señales de audiometría (2) , desarrollado como una aplicación o 30 app informática bajo el sistema Android o IOS, para generar las señales de audiometría y llevar a cabo todo el control de la medida audiométrica; transductores: un primer transductor que puede ser un vibrador óseo (5) y un segundo transductor que puede ser un par de auriculares (7) ; y el sistema de control activo de ruido (6) , que se encarga de atenuar el ruido 35 ambiente exterior, tal como lo haría una cabina audiométrica de aislamiento P201530495
acústico, para tener niveles en el interior del oído de unos 30 SPL de nivel de presión sonora, ajustados a los estándares ISO 8253-1 y ANSI/ASA S3.1-1999 (R-2008) , los cuales especifican los niveles máximos de ruido ambiente permitidos para realizar las medidas audiométricas.
El dispositivo electrónico móvil (1) del audiómetro es donde corre una aplicación o app del audiómetro, desarrollada sobre un entorno Android o IOS, que proporciona al usuario del dispositivo móvil (1) el control de las señales audiométricas, con todas las opciones requeridas en cualquiera de los tipos de audiómetros especificados en la norma EN 60645
1. Las señales del audiómetro generadas mediante la app en el módulo generador de señales de audiometría (2) salen del dispositivo móvil (1) vía enlaces de bluetooth (3) y excitan los auriculares (7) de audiometría. Los auriculares (7) audiométricos están conectados a la salida de un primer adaptador de audio bluetooth (8) a cuya entrada se incorpora un sistema de control activo de ruido acústico (6) que es doble: uno para cada auricular (7) . Las señales audiométricas también están enlazadas vía bluetooth (3) con un segundo adaptador de audio (9) donde se encuentra conectado un vibrador óseo (5) . También existe comunicación por enlaces bluetooth (3) con un pulsador (4) inalámbrico que facilita al sujeto objeto del ensayo audiométrico interactuar con el técnico que realiza la medida audiométrica. El pulsador (4) , de bluetooth, permite una comunicación interactiva con el audiómetro en el proceso de determinación de los umbrales de audición del usuario.
El generador de señales de audiometría (2) de la app del dispositivo móvil (1) incorpora medios de procesado digital de la señal encargados de aumentar el rango dinámico en la frecuencia del tono a evaluar, compensando la limitaciones impuestas por una digitalización de 16 bits y del formato de codificación perceptual utilizado en la comunicación bluetooth, limitaciones que harían inviable la utilización de un audiómetro según las especificaciones establecidas en el estándar EN 60645-1. El formato de codificación perceptual podría ser cualquiera que en un futuro se adopte en una comunicación bluetooth o cualquiera de los ya existentes, según las especificaciones bluetooth:
- Codificación Sub-banda, SBC; -Codificación aptX® -Codificación Audio Avanzada, AAC.
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El rango dinámico no se puede mejorar en un su valor global, dada una determinada resolución binaria, de 16 bits por muestra, pero sí se puede modificar en función de la frecuencia, de tal forma que se puede tener mayores rangos dinámicos en un margen de frecuencias de interés a costa de disminuirlos en otros márgenes de frecuencias. Teniendo en cuenta que la señal audiométrica es una señal sinusoidal, de frecuencia fija, en el margen de frecuencias de 125 Hz a 8 kHz, el procesado digital de señal realizado por el generador de señales de audiometría (2) , encargado de generar las sinusoides audiométricas, realiza esta descompensación del rango dinámico en función de dos factores: a) la frecuencia a evaluar en el paciente y b) de las bandas de frecuencia codificadas en cualquiera de los formatos de codificación utilizados en bluetooth, SBC, aptX
o AAC. Esto siempre es posible porque el margen de frecuencias de la señal alcanza los 24 kHz (la mitad de la frecuencia de muestreo) , muy por encima de la máxima frecuencia de la señal audiométrica (tono de 8 kHz) . Las señales de tonos puros así generadas, llegan a los auriculares y al vibrador óseo con una calidad óptima, superior a la exigida por el estándar EN 60645-1 relativas al rango dinámico (>130 dB) y a la máxima distorsión armónica permitida (THD < 2.5%) .
Los adaptadores de audio bluetooth (8, 9) comprenden un decodificador bluetooth (110, 111) que decodifica las señales recibidas a través del enlace bluetooth (3) . El decodificador bluetooth (111) del adaptador de audio bluetooth (8) conectado a los auriculares (7) audiométricos decodifica las señales generadas por el generador de señales de audiometría (2) para entrega una señal decodificada de audiometría (11, 20) a un sumador, en el que se suma dicha señal decodificada de audiometría (11, 20) con la señal de salida del sistema de control activo (6) .
Adicionalmente, los adaptadores de audio bluetooth (8, 9) comprenden un amplificador (130, 131) de potencia que conecta con el respectivo transductor, vibrador óseo (5) o auricular (7) , estando el amplificador (130, 131) conectado al decodificador bluetooth (110, 111) por medio de al menos un conversor digital-analógico (120, 121) .
Por otro lado, los auriculares (7) llevan incorporado un sistema de control activo de ruido (6) , que está dividido realmente en dos sub-sistemas de control independientes, para cada uno de los dos auriculares (7) : auricular derecho o R y auricular izquierdo o L. Las Figuras 2 y 3 presentan respectivamente dos posibles opciones de implementar el sistema de control
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activo de ruido (6) : con técnicas de retroalimentación o tipo feedback, como se muestra en la Figura 2; o con técnicas de anticipación o tipo feedforward, como se muestra en la Figura 3.
En la Figura 2 se ilustra una posible realización del sistema de control activo (6) mediante técnicas de retroalimentación o de tipo feedback, que incorpora un micrófono interno (10) para recoge una señal de referencia del ruido ambiental (200) , objeto de cancelación, sumada con la propia señal de la medida audiométrica (11) . El nivel de la señal de ruido ambiental regula el funcionamiento de un módulo adaptativo de control (12) . Cuando funciona de forma óptima, este nivel es mínimo, idealmente nulo, lo que se corresponde con atenuación del ruido ambiental. La señal del micrófono (10) es procesada por un filtro FIR -Finite Impulse Response, en inglés-que es un filtro digital adaptativo (13) y opera como otro sistema adaptativo previo para eliminar la señal de audiometría (11) y dejar exclusivamente la referencia del ruido ambiental como señal de entrada al módulo adaptativo de control (12) principal, encargado de realizar el control activo de ruido. La señal de salida de este sistema de control se suma con la señal de audiometría (11) , constituyendo ambas la señal suma que se envía al auricular (14) . El tratamiento de las señales se realiza digitalmente, por lo que son necesarios conversores analógico-digitales (A/D) y digitales-analógicos (D/A) para convertir las señales analógicas a secuencias numéricas o datos y viceversa, respectivamente. Asimismo, se incorporan los amplificadores necesarios (15, 16) respectivamente para adecuar el nivel de la señal de micrófono (10) y entregar la potencia necesaria al auricular (16) .
En la Figura 3 se muestra otra posible realización del sistema de control activo (6) mediante técnicas de anticipación o tipo feedforward, que incorpora, en este caso, dos micrófonos: un micrófono interno (17) y un micrófono externo (18) . El micrófono externo (18) recoge una señal de referencia del ruido (26) ambiental externo que es la entrada principal de un controlador o módulo adaptativo de control (19) . El nivel de la señal de error (25) recogida por el micrófono interno (17) regula el funcionamiento de sistema de control activo (6) para anular/atenuar el ruido ambiental en el interior del auricular (21) . La señal de salida del controlador (19) se suma con la señal audiométrica (20) . Esta señal conjunta es la que se aplica al auricular (21) . De igual modo que en el tipo feedback, el tratamiento de las señales se realiza digitalmente, por lo que son necesarios conversores analógico-digitales (A/D) y digitales-analógicos (D/A) para convertir las señales analógicas a secuencias numéricas - datos-y viceversa, respectivamente. Asimismo, se necesitan amplificadores (22, 23, 24) , al menos un primer amplificador (22, 23) para adecuar el nivel de las señales de los P201530495
micrófonos (17, 18) y al menos un segundo amplificador (24) para entregar la potencia necesaria al auricular (21) .
A continuación se enumeran los pasos necesarios para la realización de un ensayo o test de 5 audiometría con el audiómetro presentado en la Figura 1: Paso 1º. Encendido de los dispositivos bluetooth mediante:
A. Pulsador bluetooth (4)
B. Primer Adaptador de audio bluetooth (9) conectado al primer transductor, en este caso, el vibrador óseo (5) .
C. Segundo Adaptador de audio bluetooth (8) con control activo de ruido conectado al segundo transductor que se refiere a los auriculares (7) .
Paso 2º. Reconocimiento y sincronización de los enlaces bluetooth (3) entre los dispositivos bluetooth externos, listados antes como A, B y C, y el dispositivo móvil 15 (1) donde reside la aplicación informática "APP AUDIOMETRO" con el generador y medidor de señales audiométricas (2) .
Paso 3º. Ejecución de la aplicación "APP AUDIOMETRO" en el dispositivo móvil (1) .
Paso 4º. Activación/encendido del sistema de control activo de ruido (6) en el dispositivo de auriculares bluetooth (100) , el dispositivo de auriculares bluetooth comprendiendo dos auriculares (7) , izquierdo y derecho, audiométricos, el segundo adaptador de audio bluetooth (8) y el sistema de control activo de ruido (6) .
Paso 5º. Selección de parámetros en la "APP AUDIOMETRO" para configurar el generador y medidor de señales audiométricas (2) en el dispositivo móvil (1) :
a. Destino de la señal audiométrica: auriculares audiométricos (7) .
b. Frecuencia del tono o señal audiométrica.
c. Nivel del tono 30 d. Reproducción del tono al pulsar "PLAY".
e. Repetición del proceso desde el apartado "c" para aumentar el nivel si el paciente no aprieta pulsador bluetooth (4) , es decir si no detecta la señal.
f. Registro del umbral de audición para esta frecuencia, pulsando "SAVE" en el
panel de la APP, si el usuario detecta la señal. 35 g. Repetición del proceso desde el apartado "b" anterior para reproducir cada P201530495
uno de los tonos de la medida audiométrica.
h. Registro en frecuencia de todos los umbrales de audición. Almacenamiento en memoria del dispositivo móvil, en cualquier formato gráfico o de impresión.
Paso 6º. Repetición del punto 5 modificando sólo el punto "a" anterior, cambiando el destino de la señal audiométrica al vibrador óseo (5) , en el caso que se realice una medida audiométrica mediante este, primer, transductor.
Paso 7º. Finalización. Apagado del sistema de control activo de ruido (6) y de los 10 dispositivos bluetooth A, B y C, i.e., pulsador bluetooth (4) y adaptadores de audio bluetooth (8, 9) .
Paso 8º. Cierre de la aplicación "APP AUDIOMETRO".
