Estimulador auditivo para audiometría tonal y potenciales evocados auditivos

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1 Mercuri y col Estimulador auditivo 3 Estimulador auditivo para audiometría tonal y potenciales evocados auditivos Carlos Mercuri, Sergio Escobar, Fernando Cadirola, Paul Astiasaran, Gerardo Gentiletti, Julio Aldonate, Claudia Bonell y Rubén Acevedo Laboratorio de Ingeniería en Rehabilitación e Investigaciones Neuromusculares y Sensoriales (LIRINS) Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Entre Ríos CC 47, sucursal 3, (3) Paraná, Entre Ríos, Argentina lirins@bioingenieria.edu.ar Resumen Los potenciales evocados auditivos son señales eléctricas registradas a nivel de la corteza cerebral, generadas como consecuencia de la aplicación de un estímulo acústico de características especiales. Por otro lado, la audiometría tonal es un examen audiológico en el que se evalúa la respuesta del paciente a la aplicación de estímulos acústicos de frecuencia e intensidad apropiadas. En ambos casos, se hace necesaria la utilización de estimuladores auditivos de prestaciones especiales. En este trabajo se presenta un módulo de estimulación acústica diseñado para ser utilizado en el registro de potenciales evocados auditivos y audiometría tonal. El diseño del mismo está basado en la utilización de microcontroladores y presenta una interfaz con el usuario que permite ingresar los parámetros de estimulación a través de un teclado o bien a través de transmisión de datos serie desde una computadora personal. Este módulo de estimulación se puede usar en forma independiente o como parte de un sistema basado en una computadora personal. En ambos casos genera cuatro tipos de estímulos (tonos puros, tonos modulados, clicks u ruido) y además permite la programación de los parámetros específicos de cada modo de estimulación. Palabras claves: Audiometría tonal Estimulación auditiva Microcontroladores Potenciales evocados Introducción Los Potenciales Evocados Auditivos (PEA) se generan como respuesta de las vías auditivas a un estímulo acústico, y su análisis permite evaluar el estado y funcionalidad de las mismas. Los PEA se dividen en distintos tipos según la duración de la señal registrada, siendo los más utilizados en la clínica los potenciales evocados auditivos de tronco cerebral []. Los estímulos involucrados en el registro de PEA son de distintos tipos siendo el de uso más común el click; que consiste en un pulso rectangular con una duración de µs e intensidad variable en el rango de db pespl hasta 9 db pespl. Además del click se usan otros estímulos específicos en frecuencia como el tono modulado, que es un tono senoidal, cuya amplitud es modulada por una envolvente trapezoidal. Es frecuente utilizar ruido blanco para enmascarar el oído contralateral al que esta siendo estudiado. [2][3]. La audiometría tonal (AT) es un examen audiológico que proporciona información subjetiva de la pérdida de audición de una persona en función de la frecuencia del estímulo aplicado. En este caso, el estímulo utilizado es un tono puro de una frecuencia determinada e intensidad entre db HL y 2 db HL y eventualmente, al igual que en PEA, se utiliza ruido de enmascaramiento del oído no estimulado [4]. En este trabajo se presenta el desarrollo de un estimulador auditivo basado en microcontroladores para realizar registros de potenciales evocados auditivos y audiometrías tonales. Materiales y métodos El diseño del estimulador se basó en las especificaciones técnicas y prestaciones necesarias para generar los estímulos utilizados en PEA y AT [][4]. En la figura se muestra el diagrama de bloques general del mismo. Un microcontrolador PIC6F874 (MCU#) de Microchip [5][6] es el responsable del manejo de la interfaz con el operador y la PC. Este toma los parámetros de estimulación y los transmite a un segundo microcontrolador, en este caso un PIC6F873 (MCU#2), que se encarga específicamente de la generación de los estímulos.

2 4 Revista Argentina de Bioingeniería Vol 2, No 2 Noviembre 26 Intefaz con el operador de señales Calibración Sincronismo y comunicación MCU # MCU # 2 Computadora personal de registro Control de intensidad Amplif. Figura Diagrama de bloques del estimulador El estimulador posee un modo de funcionamiento subordinado (o esclavo), en el que la programación de sus parámetros y control de la estimulación se realiza desde la misma computadora personal, mediante una conexión serie RS232, utilizada para el registro de los PEA. Además posee un modo de funcionamiento autónomo, en el cual la programación se hace desde el teclado propio del estimulador y donde los parámetros se transmiten a la computadora por la misma conexión serie antes mencionada. II.a. Interfaz con el operador En la figura 2 se muestra el diagrama de bloques del la interfaz con el operador, la cual está constituida por un display de cristal líquido en el que se presentan los parámetros de configuración del estimulador (oído a estimular, enmascaramiento del oído contralateral, modo de funcionamiento, calibración por software y parámetros de estimulación), LEDs que informan el estado del módulo (encendido, estimulando, oído estimulado y enmascaramiento) y un teclado para acceder a la programación en modo autónomo y a la calibración. MCU# PIC 6F874 TIPO INTENSIDAD DURACION TONO CLICK CONDENSACION 2 db /s us AUTONOMO FRECUENCIA MESETA MODO ESTIMULADOR AUDITIVO ENC LIRINS FIUNER IZQ MAS DER ESTIM II.b. de señales Figura 2 Diagrama de bloques de la interfaz Es el encargado de generar todos los tipos de estímulos mencionados anteriormente; en la figura 3 se muestra el diagrama de bloques del mismo. La generación de los tonos puros se logró mediante un circuito integrado generador de senoidales (ICL838 de Intersil ), el rango de los tonos es de 25 Hz a 8. Para generar los tonos modulados se realiza una modulación de la amplitud de los tonos puros, con tiempos de subida, meseta y bajada controlados por el MCU#2. En el caso de clicks los acondiciona según éstos sean de condensación (excursión positiva), rarefacción (excursión negativa) o alternados de acuerdo a la programación realizada. Además incluye un circuito generador de ruido blanco usado para enmascaramiento del oído contralateral, tanto en PEA como en AT. La versatilidad del diseño deja abierta la posibilidad de generar otro tipo de estímulos, como ráfagas de clic ks controlados por el MCU#2 o tonos con envolventes diferentes a la trapezoidal, cambiando la señal del circuito multiplicador. II.c. Control de intensidad La intensidad de los estímulos se fija mediante un control digital de volumen (PGA23 de Texas Instruments ) controlado también por el MCU#2. Esto permite la calibración por software de la intensidad,

3 Mercuri y col Estimulador auditivo 5 simplemente reprogramando los datos que se envían al control digital de volumen desde el MCU#2, lo cual puede ser realizado por el operador directamente desde el teclado del equipo. La amplificación se realiza por medio de un circuito integrado TPA32 de Texas Instruments y la etapa de potencia mediante un circuito transistorizado, acondicionando de esta manera la señal para ser aplicada a los auriculares. MCU #2 de ruido de clicks Multiplexor Control de intensidad Amp de tonos Multiplicador Figura 3 Diagrama de bloques del generador de señales II.d. Calibración Cada tipo de estímulo requiere un método específico de calibración, los cuales se detallan a continuación. El instrumental utilizado para las distintas calibraciones, mostrado en la figura 4, fue el siguiente: Decibelímetro o medidor de nivel sonoro marca EXTECH modelo de tono de 85 db SPL de KHz marca ALTRONIX. Osciloscopio digital marca TEKTRONIX modelo TDS2 (6 MHz y Gs/s). Auriculares marca Telephonics modelo TDH39P. II.d. Calibración de la intensidad (a) (b) (c) Figura 4 - a) Decibelímetro, b) de tono patrón y c) Auriculares. La intensidad de sonido puede expresarse en db SPL (sound pressure level), db HL (hearing level) o db pespl (peak equivalent SPL) [], siendo el proceso de calibración especialmente dificultoso en el caso de los clicks, debido a su corta duración. a) Calibración de tonos puros, tonos modulados y ruido de enmascaramiento Tanto los tonos puros como el ruido de enmascaramiento son estímulos de larga duración, por lo cual su calibración se logra tomando la lectura del decibelímetro que se encuentra directamente acoplando a los auriculares. De esta manera se ajustó la intensidad directamente en el módulo en db SPL. Simultáneamente también quedaron calibrados los tonos modulados, ya que utilizan el mismo tono puro calibrado, sólo que en este caso es modulado con una señal trapezoidal. El proceso de calibración en db HL consiste en determinar el umbral auditivo para cada frecuencia de estimulación (estimulando con tonos puros) en al menos 2 individuos normo oyentes. Luego se promedian

4 6 Revista Argentina de Bioingeniería Vol 2, No 2 Noviembre 26 las intensidades a las cuales se obtuvo el umbral en cada individuo y a ese valor (en db SPL) se le asigna el db HL, uno por cada frecuencia de estimulación. b) Calibración de clicks: El procedimiento utilizado para calibrar los clicks fue el siguiente: i. Primero, se midió en el osciloscopio la amplitud de la señal eléctrica provista a la salida del decibelímetro correspondiente a la respuesta obtenida al aplicar un tono de 85 db SPL con frecuencia de. ii. Luego se midió en el osciloscopio la amplitud de la señal eléctrica proveniente del decibelímetro aplicado sobre el click a calibrar; de esta manera se hizo coincidir la amplitud de ésta salida con la correspondiente a la del tono patrón de 85 db SPL. iii. Finalmente se expresó la intensidad del sonido en db pespl. II.d.2 Calibración de características temporales La calibración de la frecuencia de repetición, duración del click, y la frecuencia del tono, se realizó tomando la señal de salida del módulo para auriculares y midiendo directamente estos parámetros mediante un osciloscopio y su base de tiempo. Cuando el valor de la medida no coincidió con el valor mostrado por el display del equipo, se procedió a realizar la corrección por medio de ajustes de parámetros internos y en el software del módulo. Una forma de determinar la polaridad del click es verificando por inspección visual el sentido del movimiento del diafragma del auricular []. Sin embargo como en este caso el acceso al diafragma en el auricular empleado no resultó sencillo, por lo cual se decidió implementar otro procedimiento. Por medio de un micrófono se adquirió la señal acústica y se observó en la computadora el sentido del primer pico del click adquirido. Teniendo esta información se colocaron los auriculares y nuevamente se observó en la PC el sentido del primer pico con lo cual se determinó la polaridad correcta. II.e. Análisis de estímulos generados Se adquirieron los estímulos acústicos mediante un micrófono marca Shure modelo SM58, que fue adecuadamente acoplado al auricular. Mediante una computadora equipada con una placa de sonido Cristal WDM (Cirrus Logic ), se tomó la señal del micrófono y se la procesó usando la Toolbox Data Acquisition de Matlab (Mathworks ). Resultados En la figura 5 se muestra el estimulador desarrollado junto a los auriculares Telephonics TDH 39. Indicadores luminosos Teclado Auriculares Display de cristal líquido Figura 5 Estimulador y auriculares. Los parámetros de configuración del estimulador desarrollado se muestran en la tabla.

5 Mercuri y col Estimulador auditivo 7 Tabla : Parámetros de configuración Estímulos Parámetros Descripción Click, tonos modulados Frecuencia de presentación. a 9.9 e.p.s. en pasos de. e.p.s. (#) a e.p.s. en pasos de e.p.s. e.p.s.: estímulos por segundo. Todos Intensidad de estimulación db a 2 db en pasos de db Click Ancho 5 µs a µs en pasos de 5 µs Tiempo de subida y bajada a en pasos de Tonos modulados Tiempo de meseta a 2 en pasos de Frecuencias de estimulación 25, 25, 5, 75,, 5, 2, 3, 4, 6, 7 y 8 Hz. Tonos puros Frecuencias de estimulación 25, 25, 5, 75,, 5, 2, 3, 4, 6, 7 y 8 Hz. Frec. corte inferior mínima.34 Hz Ruido de enmascaramiento Frec. corte inferior máxima 33 Hz Frec. corte superior Definida por la respuesta del auricular En la figura 6.a se presenta la señal temporal de un click eléctrico correspondiente a un pulso de µs de ancho y en la figura 6.c su respectivo espectro de potencia, donde se muestra que la mayor parte de la energía del estímulo se encuentra entre Hz y. En la figuras 6.b y 6.d se muestra el click acústico (señal registrada por el micrófono) y su espectro de frecuencias respectivamente. Comparando las respuestas eléctricas y acústicas puede apreciarse el efecto del auricular, el cual queda claramente de manifiesto en el espectro de frecuencias de la señal acústica y que concuerda con la descripción realizada para distintos modelos de auriculares [7]..8 (a) 3 (c) V (b) 5 (d) 4 4 db pespl Figura 6 Estímulo click de µs de duración a 5 DB pespl. (a)eléctrico, (b) Acústico, (c) Espectro de potencia click eléctrico, (d) Espectro de potencia click acústico. En la figura 7.a y 7.b se muestran respectivamente un tono modulado eléctrico y su par acústico, mientras que en las figuras 7.c y 7.d se muestran sus respectivos espectros de frecuencias. Se observa una buena correlación entre la morfología de la señal eléctrica y la acústica así como también el efecto de la señal envolvente trapezoidal en los espectros de frecuencias.

6 8 Revista Argentina de Bioingeniería Vol 2, No 2 Noviembre 26 (a) 3 (c) V (b) 3 x 4 (d) db SPL Figura 7 Tono modulado de a 85 DB SPL, tiempo de subida/bajada: 5, tiempo meseta: (a)eléctrico, (b) Acústico, (c) Espectro de potencia tono eléctrico, (d) Espectro de potencia tono acústico. En la figura 8.a y 8.b se muestran tonos puros eléctricos y acústicos con sus respectivos espectros de potencias en la figura 8.c y 8.d. También se observa buena correlación entre la morfología de la señal eléctrica y la acústica así como también entre los espectros de potencias. (a) 4 (c).5 3 V (b) 5 x 4 (d) 5 4 db SPL Figura 8 Tono puro de a 85 db SPL. (a)eléctrico, (b) Acústico, (c) Espectro de potencia tono eléctrico, (d) Espectro de potencia tono acústico.

7 Mercuri y col Estimulador auditivo 9 Conclusiones El número de componentes y la disposición circuital (layout) permitió la implementación del estimulador en tamaño (23 cm de ancho x 8 cm de alto x 9 cm de profundidad) y peso apropiado (,5 kg), lo cual facilita su transporte. El sistema es capaz de generar estímulos tipo click, tonos modulados, tonos puros y ruido de enmascaramiento de acuerdo a las especificaciones iniciales del diseño, pero las características de su implementación permitirían incorporar otro tipo de estímulos como las ráfagas de clicks y tonos con envolventes diferentes a la trapezoidal, entre otros. Los rangos de variación de los parámetros de estimulación logrados son equivalentes al de los equipos comerciales en intensidad y frecuencias como así también las formas del estímulo [8]. Finalmente es importante destacar que el módulo permite calibrar los parámetros de configuración por medio de software en caso necesario. Referencias [] John T. Jacobson, The Auditory Brainstem Response, College Hill Press, 985. [2] Bruce A. Weber Masking and Bone Conduction Testing in Brainstem Response Audiometry. Seminar in Hearing, Volumen 4 Number 4. Ed Thieme-Stratton, November 983. [3] Keith Chiappa, Evoked Potentials in Clinical Medicine, Lippincot-Raven, 3º ed., 997. [4] Gonzalo de Sebastián, Audiología Práctica, 5º Ed., Editorial Médica Panamericana, 999. [5] PIC6F87X Data Sheet 28/4-Pin 8-Bit CMOS FLASH Microcontrollers, 2 Microchip Technology Inc., DS3292C [6] Mid-Range MCU Family Reference Manual, 997 Microchip Technology Inc., December 997, DS3323A [7] Gorga M, Abbas P, Worthington D. Some Issues Relevant to the Frequency-Specific Auditory Brainstem Responses. Seminar in Hearing, Volumen 4 Number 4. Ed Thieme-Stratton, November 983. [8] Página Web de Akonic S.A., Medical Equipment