iii

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola Politécnica

Departamento de Eletrônica e de Computação

DETECÇÃO DE EMISSÕES OTOACÚSTICAS EVOCADAS POR TRANSIENTES

Autor:

_________________________________________________

Luiz Gomes Ribeiro Neto

Orientador:

_________________________________________________

Prof. Marcio Nogueira de Souza

Examinador:

_________________________________________________

Prof. Alexandre Visintainer Pino

Examinador:

_________________________________________________

Eng. Aluízio D’Affonsêca Netto

DEL

13 de Março de 2015

iv

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação

Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária

Rio de Janeiro – RJ CEP 21949-900

Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que poderá

incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma

de arquivamento.

É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas

deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado,

para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja

feita a referência bibliográfica completa.

Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).

v

AGRADECIMENTO

Gostaria de agradecer à Escola Politécnica e ao LIB pelo conhecimento adquirido

e a estrutura necessária para a realização desse projeto.

Ao professor Márcio Nogueira pela paciência e dedicação em sua orientação.

Ao pessoal do estúdio Orbita Music pelo apoio e pela disponibilidade para

realizar as medições necessárias.

Ao pessoal do Instituto Rashuah pelos ensinamentos de vida e de meditação,

hábito que levarei comigo pelo resto de minha vida.

Ao meu pai Luiz Gomes Ribeiro Filho pelo apoio e por ter me dado de aniversário

meu primeiro instrumento - um violão - presente que mudou minha vida e me fez mais

tarde querer estudar áudio – área que pretendo seguir carreira.

À minha mãe Claudia Mongarde Canedo pelo apoio, amor e paciência durante

mais de duas décadas (até o momento) tarefa que duvido que tenha sido fácil.

Às minhas irmãs, tios e tias, avôs e avós, primos e primas e demais familiares de

Minas Gerais.

Aos amigos, recentes ou de longa data, engenheiros ou não, pela camaradagem e

amizade que perdurará durante muito tempo ainda. Duvido que estivesse aonde estou

agora sem a ajuda de vocês: Ana Tarrisse, Anderson Souza, Bruno Saraiva, Diego

Wanderley, Hugo Coqueijo, Laura Panzariello, Natalia Seiblitz, Pedro Quitete, Renato

D'Angello e os demais amigos do Gecom.

E por último e não menos importante, aos amigos do Mandala, Novo Leblon e

arredores, alguns me acompanhando desde os primeiros anos de vida.

vi

RESUMO

As emissões otoacústicas (OAE) são sinais sonoros de baixa amplitude produzidos

numa parte do ouvido interno, denominada cóclea, em decorrência do processo normal de

audição. Sua detecção é um método útil para diagnosticar perdas auditivas logo nos primeiros

dias de vida de uma pessoa. Este trabalho apresenta o projeto de um sistema de detecção de

emissões otoacústicas utilizando como estímulo acústico um clique sonoro. Para isso foi

utilizada uma sonda comercial contendo dois micros alto-falantes e um microfone, um circuito

amplificadores para adequar o sinal captado pela sonda e um software desenvolvido em

Labview para efetuar o processamento e exibição das emissões otoacústicas.

vii

ABSTRACT

Otoacoustic emissions (OAE) are sounds of low intensity that are produced in a part of

the inner ear called cochlea, and that are attributed to the normal hearing process. Its detection

is a useful method to diagnose hearing loss in the first days of a person's life. This work presents

the design of an otoacoustic-emissions-detection system using as acoustic stimulus an audible

click. For this we used a commercial probe containing two very small speakers and one

microphone, an amplifier circuit to adjust the signal received by the probe and a software

developed in Labview to make the processing and display of otoacoustic emissions.

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Lista de abreviaturas e siglas

CCE - Células Ciliadas Externas

CCI - Células Ciliadas Internas

CEOAE - Click Evoked Otoacoustic Emission

DNLR - Derived Nonlinear Response

DPOAE - Distortion Product Otoacoustic Emission

OAE - Otoacoustic Emission

SFOAE - Stimulus Frequency Otoacoustic Emission

SOAE - Spontaneous Otoacoustic Emission

TEOAE - Transient Evoked Otoacoustic Emission

ix

Sumário

1 Introdução ................................................................................................................................ 1

1.1 Histórico ........................................................................................................................... 1

1.2 Motivação ......................................................................................................................... 2

1.3 Objetivo ............................................................................................................................ 2

2 Emissões Otoacústicas ............................................................................................................. 3

2.1 Fisiologia da Audição ....................................................................................................... 3

2.1.1 Orelha externa ........................................................................................................... 3

2.1.2 Orelha média ............................................................................................................. 4

2.1.3 Orelha interna ............................................................................................................ 4

2.1.4 Células Ciliadas ......................................................................................................... 4

2.2 Classificação ..................................................................................................................... 6

3 Método de Medição ................................................................................................................. 8

3.1 Descrição geral ................................................................................................................. 8

3.2 A sonda ............................................................................................................................. 8

3.3 Algoritmo de separação de artefatos .............................................................................. 11

3.3.1 Latência ................................................................................................................... 12

3.3.2 Cancelamento linear ................................................................................................ 13

3.4 Hardware analógico ........................................................................................................ 14

3.5 Software .......................................................................................................................... 16

3.5.1 Geração do estímulo ................................................................................................ 17

3.5.2 Implementação do algoritmo de separação de artefato ........................................... 19

3.5.2.1 Detecção do sinal de estímulo .......................................................................... 20

3.5.2.2 Comparação com o nível RMS do ruído .......................................................... 21

3.5.2.3 Média Coerente................................................................................................. 22

3.5.2.4 Gráficos e Espectros de Potência...................................................................... 24

x

4 Resultados .............................................................................................................................. 25

4.1 Dados experimentais ....................................................................................................... 25

4.2 Aquisições pelo programa .............................................................................................. 28

4.2.1 Testes na seringa ...................................................................................................... 29

4.2.2 Testes em orelha humana ........................................................................................ 31

5 Discussão e conclusões .......................................................................................................... 34

6 Referências bibliográficas ..................................................................................................... 36

ANEXO – Datasheets ............................................................................................................... 37

1

1 Introdução

As emissões otoacústicas (OAE) são sinais sonoros de baixa amplitude produzidos

numa parte do ouvido interno, chamada de cóclea, em decorrência do processo normal de

audição. Sua detecção é um método útil para diagnosticar perdas auditivas logo nos primeiros

dias de vida de uma criança.

1.1 Histórico

Apesar de sua indiscutível importância, foi só a partir da segunda metade do século XX

que os delicados mecanismos do processo auditivo começaram a ser desvendados. Em 1948,

Thomas Gold propôs uma hipótese onde a seletividade de frequências da cóclea era resultado

de um sistema realimentado baseado em uma transdução mecânica-elétrica junto a outra

elétrica-mecânica. Isso sugeria a possibilidade de captura desse processo de sintonia ativa em

formato de som no canal auditivo. Infelizmente, Gold não conseguiu comprovar sua hipótese

por não conseguir captar esse som com os recursos tecnológicos existentes na época.

Alguns anos depois, em um estudo sobre propagação das ondas no canal auditivo, Von

Békésy (1960) fez uma série de experimentos envolvendo o corte nas paredes da cóclea para

que se pudesse observar os minúsculos movimentos da membrana basiliar, movimentos esses

relacionados com o comprimento de onda e amplitude dos estímulos sonoros aplicados. O

problema foi que esse estudo gerou curvas de sintonia de frequências auditivas diferentes da

capacidade de resolução de frequências que um ser humano poderia ouvir. A resposta para isso

seria de que a teoria de sintonia ativa de Thomas Gold fazia sentido, e implicava que o processo,

como o mesmo descreveu anteriormente, geraria sons que escapariam para a orelha externa.

Foi apenas em 1978, com David Kemp usando tecnologia melhorada, que a captação

dessas emissões foi realizada. Kemp aplicou repetidos estímulos sonoros a orelhas humanas

sadias e, medindo a resposta acústica, concluiu que não eram provenientes apenas de ecos

passivos, mas sim emissão ativa da própria orelha.

2

1.2 Motivação

Estima-se que 98% dos seres humanos abaixo dos 60 anos de idade e com audição

saudável apresentem emissões otoacústicas evocadas por um estímulo acústico. Deste modo, o

uso clínico da captação desses sinais vem sendo largamente difundido para a triagem auditiva

neonatal. De fato, é um método diagnóstico bastante popular e eficiente (teste da orelhinha)

para testar a funcionalidade do ouvido interno e diagnosticar a saúde auditiva de um indivíduo

nos primeiros dias de vida, já que danos nas células da cóclea são a causa mais comum para a

surdez. O diagnóstico prematuro de surdez previne também problemas no desenvolvimento

cognitivo da pessoa.

1.3 Objetivo

O objetivo deste trabalho é investigar uma das técnicas de detecção de emissões

otoacústicas evocadas por transientes, que consiste basicamente em se captar os sinais sonoros

no canal auditivo de uma pessoa após um estímulo acústico, separando as OAEs dos artefatos

de estímulo.

3

2 Emissões Otoacústicas

2.1 Fisiologia da Audição

O sistema auditivo humano pode ser resumido em três regiões principais: a orelha

externa, a orelha média e a orelha interna (Figura 1).

Figura 1. Periferia auditiva: 1 - pavilhão auditivo; 2 – canal auditivo; 3 –

membrana timpânica; 4 – martelo; 5 – bigorna; 6 – estribo; 7 – janela oval; 8 – janela

redonda; 9 – cóclea; 10 – trompa de Eustáquio; 11 – Nervo coclear (PUJOL et al., 1999).

2.1.1 Orelha externa

Esta região é composta pelo pavilhão auditivo e pelo canal auditivo. O formato do

primeiro é o grande responsável pela filtragem de sinais sonoros por difração. Nosso sistema

nervoso central está “treinado” a reconhecer essa filtragem e associá-la a uma posição da fonte

sonora, mesmo quando ela se encontra em posição simétrica às duas orelhas. O canal auditivo

também ajuda nessa filtragem.

4

2.1.2 Orelha média

A orelha média comporta os ossículos martelo, bigorna e estribo, assim como a janela

oval, que separa a orelha média da orelha interna. Através de redução de área e de um sistema

de alavancas, esses ossículos conseguem fazer o casamento entre impedâncias acústicas do ar

e do líquido no interior da cóclea. Assim, a maior parte da energia é transmitida da membrana

timpânica até a janela oval, evitando que a onda seja refletida.

O acoplamento mecânico entre os ossículos é feito através de músculos. Isso permite

um amortecimento maior para níveis elevados de pressão sonora, protegendo a orelha interna

de lesões. Esse processo é chamado de reflexo acústico e possui uma latência de 40 a 160 ms,

não podendo portanto responder a tempo a impulsos muito fortes.

2.1.3 Orelha interna

É aonde se encontra a cóclea, órgão espiral com aproximadamente duas voltas e 3,5 cm

de comprimento. A comunicação dela com a orelha média se dá através da janela oval e da

janela redonda. A primeira transmite o estímulo à escala vestibular, enquanto que a segunda

transmite a onda de pressão de volta através da escala timpânica. O duto coclear ou rampa

coclear separa a escala vestibular da timpânica.

Também temos na orelha interna a trompa de Eustáquio, que liga esta região à faringe.

2.1.4 Células Ciliadas

No interior do duto coclear, se encontra o órgão de Corti e as células ciliadas,

responsáveis pela transformação da energia mecânica em impulsos nervosos.

As células ciliadas podem ser internas (CCI) ou externas (CCE), conforme sua

localização. Estima-se que as primeiras são as maiores responsáveis por boa parte do processo

de transformação de pressão sonora em impulsos nervosos, enquanto que as segundas têm

função de amplificação e sintonia. Ao todo, são cerca de 3500 CCI e 12500 CCE na cóclea,

todas formadas em apenas 10 semanas de gestação. Ao longo da vida, elas se deterioram sem

serem repostas.

Como citado anteriormente, foi somente em 1948, com Thomas Gold, que houve a

primeira teoria de sintonia ativa da audição. A proposta foi rejeitada, pois isso indicaria a

geração de alguns sons que escapariam para a orelha externa. Somente David Kemp, em 1978,

conseguiu captar esses sons. A sintonia ativa então é atribuída a uma realimentação da

5

transformação eletro-mecânica nas CCE, e os sons decorrentes do processo seriam as emissões

otoacústicas.

Na maioria dos casos de doenças e lesões auditivas, são as CCE as primeiras a serem

danificadas, o que confirma a importância de um método de detecção de emissões otoacústicas

(OLIVEIRA, 2004).

Figura 2: Cóclea secionada por um plano: 1 – Ducto coclear; 2 – Escala vestibular; 3 –

Escala timpanica; 4 – Espiral Ganglionar; 5 – Nervo Auditivo (PUJOL et al., 1999).

Figura 3. À esquerda, detalhes de uma célula ciliada interna. À direita, detalhes de uma

célula ciliada externa. (Disponível em: http://www.cochlea.eu/po/celulas-ciliadas. Acesso em:

16 mar. 2015).

6

2.2 Classificação

As OAEs podem ser classificadas em:

a) Emissões Otoacústicas Evocadas por Transiente (TEOAE – transient evoked

otoacoustic emissions): Neste caso, um estímulo transitório é enviado à orelha interna e

a resposta detectada no canal auditivo aparece separada no tempo de acordo com a

latência das OAEs.

b) Emissões Otoacústicas Espontâneas (SOAE – spontaneous otoacoustic emissions): São

sinais estacionários e de banda curta gerados pela orelha mesmo na ausência de

estímulo. Existem em cerca de 50% dos adultos e com mais facilidade em neonatos.

c) Emissões Otoacústicas por Produto de Distorção (DPOAE – distortion product

otoacoustic emissions): Neste tipo de OAE, o estímulo sonoro é composto de duas

frequências, f1 e f2, e a emissão medida é um dos termos cruzados da distorção não-

linear (normalmente, 2f1 – f2). Obtém-se a partir disso um gráfico conhecido como

DPgrama, que fornece a amplitude da DPOAE.

d) Emissões Otoacústicas Evocadas na Frequência do Estímulo (SFOAE – stimulus

frequency otoacoustic emissions): Para este caso, o estímulo é um tom contínuo e as

emissões medidas são retornadas na mesma frequência. A interação entre o estímulo e

as emissões cria um padrão de máximos e mínimos detectados em uma varredura no

eixo das frequências. Este padrão identifica as OAE.

As TEOAE e as DPOAE são as emissões otoacústicas mais usadas clinicamente. Em

particular, este projeto se dedica a avaliar a detecção das Emissões Otoacústicas Evocadas por

Transiente (TEOAE), onde normalmente o transiente é um clique sonoro. Por esta razão, tais

OAEs também são conhecidas como CEOAE, neste caso.

Como dito anteriormente, as CEOAEs são detectadas após um período de tempo em

resposta ao estímulo sonoro. Como esse estímulo, ou clique, é mais intenso que as emissões

otoacústicas em si, toda a resposta acústica do canal se mistura às mesmas, gerando os

7

chamados artefatos. O objetivo principal das técnicas de detecção é, então, separar as emissões

otoacústicas dos artefatos, evitando assim resultados do tipo falso-negativo ou falso-positivo e

garantindo o diagnóstico preciso da condição auditiva da pessoa.

8

3 Método de Medição

3.1 Descrição geral

Neste capítulo são descritas as etapas para a emissão de um estímulo acústico através

de uma sonda e a consequente captação dos artefatos de estímulo e das emissões otoacústicas.

As especificações do hardware analógico; do software em LabVIEW (National Instruments,

EUA), utilizado tanto para processar o áudio captado quanto para gerar o estímulo em si, e da

placa de som do laptop em que o software foi rodado serão explicadas em detalhes.

A Figura 4 ilustra o diagrama de blocos do sistema desenvolvido.

Figura 4. Diagrama geral de blocos do sistema de detecção de CEOAE.

3.2 A sonda

A sonda utilizada foi uma ER-10D OAE PROBE, da Etymotic Research (Figura 5). Na

ponta dessa sonda existe uma pequena abertura onde se encontram o minúsculo microfone e

dois alto-falantes. Como este projeto utiliza como excitação sonora somente um click audível,

apenas um dos alto-falantes foi utilizado. A título de esclarecimento, os dois alto-falantes são

utilizados em projetos de detecção de DPOAEs, onde são gerados dois estímulos sonoros com

frequências diferentes.

9

Figura 5. Sonda ER-10D (Extraído de ER-10D OAE PROBE Preliminary Datasheet)

A sensibilidade do microfone é de cerca de 50 mV/Pa e sua impedância de saída é de

de 100 Ω. A resposta em frequência do microfone, que vai até 12 kHz, oscila em no máximo 4

dB (Figura 6). Porém, dentro da caixa da mesma já existe um pré-amplificador e um equalizador

para garantir resposta plana até esta frequência (12 kHz). As conexões elétricas da sonda podem

ser vistas na Figura 7.

Basicamente, no sistema desenvolvido, um pulso é gerado pelo LabVIEW na saída da

placa de som do computador e enviado para o alto-falante, fazendo o estímulo acústico inicial.

O microfone da sonda capta a resposta (acústica e as CEOAEs) a esse estímulo, ela é

amplificada em um circuito analógico e depois enviada de volta pela entrada P2 de microfone

do microcomputador, onde ela vai ser digitalizada e processada.

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Figura 6. Resposta em frequência do microfone da sonda (Extraído de ER-10D OAE PROBE

Preliminary Datasheet)

Figura 7. Visão frontal do conector da sonda: 1 - Saída do microfone; 2 e 3 - Alto-Falantes;

4 e 5 - NC; 6 – Alimentação negativa; 7 – Terra; 8 - +Alimentação positiva. (Extraído de ER-

10D OAE PROBE Preliminary Datasheet)

A amplitude e a forma de onda do estímulo devem ser monitoradas no início do exame,

já que a sonda posicionada de forma incorreta pode causar um mau isolamento acústico entre o

exterior e o canal auditivo, piorando a relação sinal-ruído do estímulo acústico aplicado à orelha

externa.

11

3.3 Algoritmo de separação de artefatos

O estímulo acústico gerado pelo programa em LabVIEW é um pulso retangular de 80 µs

de largura que passa por um passa-banda de ordem 4, com frequências inferior de 600 Hz e

superior de 6kHz, já que esta é a faixa de frequência mais característica das CEOAE

(OLIVEIRA, 2004). Depois de filtrado, o estímulo é aplicado na entrada do alto-falante (Figura

8). A intensidade acústica do sinal de saída do alto-falante desse estímulo pode ser ajustada pelo

usuário para se adequar ao canal auditivo de cada paciente.

Figura 8: Diagrama de blocos da geração de pulsos.

A resposta ao estímulo é, então, captada pelo microfone da sonda e amplificada. Este

sinal amplificado será o canal 1 da entrada estéreo de microfone do computador. A saída do

primeiro amplificador é aplicada a um segundo estágio de amplificação, gerando, assim, o sinal

aplicado ao canal 2 entradas estéreo de microfone. Esses dois sinais serão digitalizados pela

placa de som do microcomputador com uma resolução de 16 bits a uma taxa de amostragem de

44100 Hz.

Após a captação, o sinal do microfone passa por um filtro passa-banda de 4ª ordem, de

600 Hz a 6 kHz. Feita a filtragem, o início do estímulo é detectado e a partir dessa posição é

feita uma janela de amostras equivalente a 25 ms. É dentro desta janela que a técnica de

separação de artefatos será utilizada e as emissões otoacústicas ficarão em evidência.

O processo descrito acima é feito para apenas um estímulo. Como o estímulo é aplicado

centenas de vezes, uma média aritmética é feita com todas essas janelas, ou seja, são somados

e divididos pelo total de interações. Neste processo, o ruído ambiente – de características

aleatórias com média nula - tende a ser eliminado da janela, sobrando somente as emissões e os

artefatos de estímulo. Tal técnica de processamento de sinais é conhecida como média coerente

ou promediação.

12

Figura 9. Diagrama de blocos do cálculo da média.

Para separar as OAEs dos artefatos de estímulo, duas características das CEOAE são

aproveitadas: a latência e o seu comportamento não-linear. Estes dois atributos são explicados

detalhadamente a seguir.

3.3.1 Latência

Para a faixa de frequências em uso, as CEOAE costumam aparecer cerca de 5 ms após

o pulso de estímulo (Figura 10) (Oliveira, 2004). Portanto, do janelamento de 25 ms utilizado

neste projeto, excluem-se as amostras observadas nos primeiros 5 ms, pois estas estão

normalmente relacionadas à resposta acústica do estímulo de excitação. Contudo, amostras

relacionadas ao artefato de estímulo ainda podem ser observadas no início do trecho de 20 ms

relacionados à resposta das CEOAEs, o que gera a necessidade de mais técnicas de separação,

como a do cancelamento linear, descrito a seguir.

13

Figura 10: (a) Estímulo e sua resposta acústica sem janelamento; (b) resposta acústica com

janelamento e os primeiros 5 ms cortados.

3.3.2 Cancelamento linear

O cancelamento linear, ou DNLR (derived nonlinear response), é uma técnica que

aproveita a não-linearidade das emissões otoacústicas em relação à intensidade do estímulo,

diferentemente do eco acústico que tem um comportamento linear. Nesta técnica, aplicam-se

sequências de 4 pulsos, sendo três com amplitude a e o quarto com amplitude -3a. Somando

essas quatro interações, os componentes de comportamento linear tendem a ser eliminados,

enquanto que os de comportamento não-linear são preservados (OLIVEIRA, 2004). Um

esquemático simples dessa técnica de cancelamento linear pode ser visto na Figura 11.

Cada sequência de 4 pulsos deve ser usada para, alternadamente, atualizar a média de

respostas acumulada em dois Buffers, chamados de A e B. Então, a primeira sequência de 3

pulsos positivos e um negativo é guardada no buffer A, a segunda no buffer B. A terceira

novamente no buffer A, e assim por diante. A razão para isso é que um dos gráficos utilizados

para estimar a presença de CEOAEs na captação do microfone será o de espectro cruzado entre

A e B.

14

Figura 11: Técnica de cancelamento linear.

As componentes não-lineares das OAEs são proporcionais à raiz cúbica da intensidade

do estímulo aplicado (OLIVEIRA, 2004). Portanto, para baixas intensidades, o comportamento

é aproximadamente linear. Esta técnica, embora facilite a detecção de CEOAEs, também

elimina parte dessas emissões otoacústicas, ou seja, as mesmas são atenuadas até certo ponto,

mas não eliminadas completamente.

3.4 Hardware analógico

Como anteriormente mencionado, o sinal acústico captado pelo microfone da sonda

passa por dois estágios de amplificação antes de entrar na entrada P2 de microfone do

computador (Figura 12).

15

Figura 12: Esquemático do circuito analógico utilizado na sonda.

Foi constatado em laboratório que a captação referente ao estímulo de maior amplitude

(o negativo) teria cerca de 180 mV de amplitude pico a pico, enquanto que a resposta acústica

(onde as CEOAE estão misturadas) teria cerca de 10 a 20 mV pico a pico. Isso nos dá, de acordo

com a sensibilidade do microfone, um estímulo de 3,6 Pa, enquanto a resposta acústica está

entre 200 a 400 mPa.

Como a saída de microfone da sonda continha um valor médio diferente de zero, foi

implementado antes da entrada do primeiro amplificador um filtro passa-alta de primeira

ordem, onde R1 = 820 kΩ e C1 = 680 nF, resultando em uma frequência de corte de cerca de

0,3 Hz.

O primeiro estágio (U1) é um amplificador inversor constituído de um amplificador de

instrumentação INA128P (características técnicas no Anexo 1) e serve para amplificar o sinal

elétrico proveniente do microfone da sonda. Um resistor (R4), ligado nos terminais 1 e 8, define

o ganho do amplificador de acordo com a equação 1. Já que o microfone nos fornece uma

amplitude máxima de 180 mV, o ganho projetado foi de 5 V/V, já que o LabVIEW trabalha

com valores de amplitude de no máximo 1 V. Como resultado, temos o resistor de valor R4 =

12 kΩ (Ganho = 5,17 V/V).

G = 1 + 50 k

R (1)

16

O segundo estágio é um amplificador inversor implementado com um amplificador

operacional LF356N (U2 no esquemático), cujas características técnicas podem ser vistas no

Anexo 1. Considerando a resposta acústica com amplitude máxima de 20 mV, temos cerca de

100 mV da mesma após o primeiro estágio. O ganho projetado para este estágio foi de 5, ficando

com cerca de 500 mV na resposta acústica. Os resistores R2 = 1 kΩ e R3 = 4,7 kΩ garantiram

um ganho de 4,7 V/V. Além disso, tal amplificador possui uma característica de filtro passa-

baixa de 1ª ordem com frequência de corte dada pela equação 2.

𝑓𝑐 =1

2𝜋𝑅3𝐶2 (2)

Foi estabelecida uma frequência de corte de 6 kHz, resultando num capacitor

𝐶2= 5,6 nF.

Como explicado anteriormente, este estágio serve para evidenciar melhor os sinais de

pequenas amplitudes das CEOAEs. Contudo, causará, certamente, saturação dos sinais da

resposta acústica do estímulo de excitação. Está é a razão para a digitalização do sinal de saída

do primeiro estágio, o qual serve para a monitorização, sem saturação, do sinal de estímulo.

3.5 Software

O programa escrito em LabVIEW trabalha em dois grandes blocos independentes

(Figura 13) . O primeiro, menor, é responsável por criar o pulso que será emitido pelo alto-

falante, gerando o estímulo. O segundo, bem maior e mais complexo, é responsável por todo o

processamento do sinal de áudio captado após o estímulo e onde todos os artefatos serão

separados das emissões otoacústicas em si. Ambos os blocos trabalham dentro de um loop

infinito, ou seja, cada ciclo é repetido até que se dê o comando para parar.

17

Figura 13. Ilustração simplificada do programa de controle e exibição do sistema de

detecção de CEOAEs.

3.5.1 Geração do estímulo

A primeira parte da geração dos pulsos que serão enviados aos alto-falantes da sonda

conta com dois blocos, ou sub VIs (Virtual Instruments), que são responsáveis por configurar

e escrever qualquer tipo de dado no dispositivo primário de reprodução de som do computador.

São eles: Sound Output Configure VI e Sound Output Write VI. O primeiro configura a taxa de

amostragem; o dispositivo do computador a ser utilizado; a quantidade de amostras; a

quantidade de canais e o número de bits para a resolução. O segundo envia, de fato, o dado (em

formato de array) de sua escolha para o dispositivo de reprodução de som.

Para criar o estímulo, foram criados dois parâmetros. O primeiro (T) está associado ao

período total (número de amostras) do sinal de excitação, que será constituído por um pulso

positivo e por um trecho de zeros. O segundo parâmetro (w) está relacionado ao tamanho do

pulso positivo dentro do período. No caso deste projeto, w equivale a 80 µs e T vale 200 ms.

18

Multiplicando esses dois números pela taxa de amostragem, temos a quantidade líquida de

amostras necessárias.

Figura 14. Diagrama da geração do vetor do estímulo no LabVIEW.

Para formar o array que será enviado para o alto-falante, foi usada uma estrutura Case

controlada por uma chave booleana. A cada vez que o contador de ciclos de loop do programa

atinge um número múltiplo de 4, a chave booleana fica com valor 1 e o pulso ganha amplitude

de -1. Nos outros casos, a chave fica com zero e os pulsos tem amplitude de 0,333 (a plataforma

LabVIEW trabalha com amplitudes de 0 a 1). Temos, então, um array composto de três pulsos

positivos com amplitude de 0,333 e um pulso negativo de amplitude -1, conforme explicitado

na técnica DNLR.

Dentro do Case temos a estrutura para gerar o pulso de estímulo. Para manipular a

amplitude, simplesmente multiplica-se o vetor final por 0,333 (pulso positivo) ou -1 (pulso

negativo), dependendo da condição do Case.

Após criado, o array com 4 pulsos passa por um passa-banda de 600 Hz a 6 kHz (ordem

4) e Sound Output Write VI. A Figura 15 ilustra detalhes da parte de geração do sinal de

estímulo.

19

Figura 15. Diagrama do programa em LabVIEW para geração do estímulo.

3.5.2 Implementação do algoritmo de separação de artefato

Analogamente ao caso do dispositivo de reprodução de som, o LabVIEW também tem

dois blocos para o dispositivo de gravação de som no computador: Sound Input Configure VI e

Sound Input Read VI. A função do primeiro é idêntica ao seu análogo para a reprodução de

som, com os mesmos parâmetros a serem configurados. O segundo bloco, ao invés de receber

um vetor de dados contendo os pulsos, devolve um vetor 2D onde cada posição é um array

contendo as amostras captadas de cada canal da entrada estéreo de áudio. O primeiro canal

contém o sinal da sonda amplificado somente pelo primeiro estágio de amplificação e que será

usado para monitorização do sinal de estimulação. O segundo canal contém o sinal anterior com

um ganho adicional de 4,7 (ver seção 3.5) e será utilizado para a detecção das CEOAES na

janela de 25 ms após o estímulo. Normalmente a resposta acústica do estímulo neste segundo

canal se encontra saturada.

Após a separação dos canais, cada sinal passa por um filtro passa-banda (de ordem 4)

de 600 Hz a 6 kHz. O sinal do primeiro canal vai para o loop que calcula a média aritmética do

sinal de estimulação, enquanto o sinal do segundo canal passa por várias etapas de

processamento que serão vistas a seguir. A Figura 16 ilustra detalhes da parte de separação dos

sinais dos dois canais digitalizados pela placa de som.

20

Figura 16: Diagrama de parte do programa em LabVIEW responsável por captar e separar

os dois canais do microfone.

3.5.2.1 Detecção do sinal de estímulo

Neste ponto, utilizou-se uma lógica baseada no VI chamado Level Trigger Detection,

que devolve a posição no array de amostras onde o sinal ultrapassou um limiar, ou threshold.

Basta definir o valor desse limiar como maior que as amplitudes das respostas ao estímulo e

menor que o pico do estímulo (ver Figura 17).

21

Figura 17. A seta mostra a posição em que o pico do estímulo ultrapassa o threshold (a reta

mais grossa) e a obtenção de uma janela de 25 ms a partir daquela posição.

Com essa posição definida, descarta-se toda a informação anterior e separa-se o vetor

de 1103 amostras posteriores (equivalente a 25 ms para a frequência de amostragem utilizada).

Detalhes da rotina de detecção do sinal de estímulo podem ser vistos na Figura 18.

3.5.2.2 Comparação com o nível RMS do ruído

Também é realizado o cálculo do nível RMS desse novo vetor de amostras, que vai ser

comparado com o valor RMS do ruído do ambiente, que pode ser ajustado conforme a

necessidade. As amostras das janelas de 25 ms que tiverem um nível RMS maior que o nível

RMS do ruído podem comprometer a SNR e por esta razão este vetor de amostras não é

utilizado no cômputo da média coerente.

A Figura 18 ilustra detalhes da rotina de comparação do valor RMS sinal com uma

estimativa do valor RMS do ruído.

22

Figura 18. Acima: Detecção do pico do estímulo. Deve-se retornar um array de 1103

amostras (que equivalem a 25 ms) a partir da posição do pico; Embaixo: Rotina de

comparação do valor RMS do sinal com uma estimativa do ruído. Se o resultado da

comparação for verdadeiro (True), o array de amostras em questão passa para a próxima

etapa.

3.5.2.3 Média Coerente

Antes da primeira captação para o cálculo das médias, dois vetores de zeros são criados

no programa, chamados de Buffer A e Buffer B, que receberão, alternadamente, os vários

grupos e 4 pulsos de estímulos, como explicado na seção 3.3.2.

A estrutura utilizada para fazer a média também é um Case, mas com a condição

booleana mais complexa do que o caso de geração do estímulo. A cada quatro iterações, o vetor

de amostras que passar pelo teste de nível RMS de ruído irá para um buffer diferente, onde será

somado e dividido pelo número total de iterações desse buffer em específico. Como nesses

23

quatro vetores teremos 3 de pulsos positivos e um de amplitude negativa, a técnica DNLR já

está sendo implementada diretamente nos buffers.

Figura 19: Esquemático no LabVIEW da média coerente.

Ao sair da estrutura de cálculo da média coerente, o Buffer A e o Buffer B passam por

uma sessão de corte dos primeiros 5 ms do vetor, a fim de se retirar boa parte da influência do

artefato de estímulo que está presente nessa região do vetor. Esse corte é opcional, caso o

usuário queria ver o formato completo das ondas calculadas na média temporal nesses buffers.

O vetor Média do Estímulo também foi inicializado junto com os Buffers, pois é o vetor

que vai guardar a média do primeiro canal de microfone, que não tem o segundo estágio de

amplificação. Dessa forma, a monitoração do sinal de estímulo se torna possível.

24

3.5.2.4 Gráficos e Espectros de Potência

Na interface do projeto, temos presentes alguns gráficos que ajudarão no diagnóstico:

- O gráfico dos buffers A e B (podendo ser cortados os primeiros 5 ms ou não);

- O espectro cruzado entre os buffers A e B, que em casos de baixo ruído

corresponde à resposta em frequência da resposta. Com isso, o espectro cruzado

dessas duas médias ajuda a manter a confiabilidade do gráfico da resposta

(PROBST & LONSBURY-MARTIN, 1991).

- O espectro do ruído, que é o espectro da diferença entre o buffer A e o buffer

B dividida pela raiz quadrada de 2 (WHITEHEAD, 1994). Por mais que a

média coerente elimine a maior parte do ruído, esse cálculo nos dá uma

estimativa do que ainda pode sobrar.

- O espectro da resposta, que é definida como a diferença entre o espectro

cruzado e o espectro do ruído. Este tem como objetivo tentar retirar a

contribuição do ruído na resposta final.

- O espectro do estímulo, para monitoração.

Figura 20. Diagrama do software em LabVIEW dos gráficos de espectros de potência.

25

4 Resultados

4.1 Dados experimentais

As respostas de frequência experimentais do 1º e 2º estágios de amplificação podem ser

vistas nas Figuras 21a e 21b, respectivamente.

Figura 21. Resposta em frequência dos amplificadores

Como podemos ver na Figura 21a, a resposta coletada do 1º estágio de amplificação

apresenta o comportamento preconizado pelo datasheet do INA128P (Figura 22), já que a

resposta para o ganho em questão (cerca de 5) é plana até as frequências mais altas.

26

Figura 22: Resposta do INA128P segundo o datasheet do mesmo.

O segundo estágio de amplificação foi projetado com uma configuração de filtro passa-

baixa de primeira ordem, de frequência de corte projetada de 6 kHz. A frequência de corte

experimental foi de 6,2 kHz.

A forma de onda dos pulsos positivo e negativo (segundo a técnica DNLR) gerados pelo

programa em Labview e enviadas para a saída da placa de som para serem aplicados na sonda

foram adquiridas por um osciloscópio Tektronix TDS 1001B e podem ser vistas nas Figura 23

e 24, respectivamente.

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Figura 23. Pulso positivo gerado pela placa de som.

Figura 24. Pulso negativo gerado pela placa de som. O mesmo possui o triplo da amplitude

do pulso positivo, conforme descreve a técnica DNLR.

A resposta acústica do estímulo acústico da Figura 23 foi aplicada a uma seringa

hipodérmica de 1cm3, a qual simula aproximadamente as dimensões do canal auditivo, sendo

coletada pela sonda e amplificada pelos dois estágios de amplificação, podendo ser visualizada

na Figura 25. O osciloscópio utilizado para esta figura foi um BK Precision 2190D.

28

Figura 25. Resposta acústica ao pulso positivo captada pela sonda e amplificada para entrar

na placa de som.

4.2 Aquisições pelo programa

No LabVIEW, a geração do estímulo enviada pela entrada P2 da placa de som está

conforme visto na Figura 26.

Figura 26. Pulso positivo e negativo (segundo a técnica DNLR) gerados pelo programa em

LabVIEW, antes de serem enviados para a sonda.

29

O pulso gerado no programa possui o formato retangular, ganhando a característica

mostrada na Figura 25 após passar pelo filtro passa-banda discutido anteriormente.

O gráfico (LabVIEW) da captação do sinal amplificado do microfone que chega na

placa de som pela entrada P2 estéreo está ilustrado na Figura 27.

Figura 27. Captação da resposta acústica amplificada. Como esperado, a parte da resposta

referente ao estímulo está saturada.

A captação é repetida e o cálculo das médias é feito, como mencionado nas outras

seções.

4.2.1 Testes na seringa

Foi utilizada uma seringa hipodérmica de 1cm3 para simular o efeito acústico do canal

auditivo humano. Assim torna-se possível a comparação com os resultados com a orelha

humana, já que não teremos CEOAEs na seringa. A Figura 28 os sinais dos Buffers A e B

captados na seringa.

30

Figura 28. Os Buffers A e B vistos na seringa

Como podemos ver, há aparentemente apenas ruído após o estímulo. Se mais amostras

fossem captadas e inseridas no cálculo da média, mais semelhantes e próximas de zero as

formas de onda se tornariam.

O espectro cruzado e a estimativa de ruído se encontram na Figura 29:

Figura 29. Espectro cruzado (acima). Não faz sentido tentar calcular a estimativa das

CEOAEs, já que temos praticamente somente ruído na seringa; Estimativa do ruído (à

direita).

31

4.2.2 Testes em orelha humana

O espectro do estímulo ficou conforme a Figura 30:

Figura 30. Espectro do estímulo.

Os sinais dos Buffers A & B podem ser vistos na Figura 31. Os sinais já se encontram

com os primeiros 5 ms cortados e com a técnica DNLR já implementada. Portanto, as formas

de onda restantes observadas deveriam conter somente as CEOAE. Porém, observa-se ainda

algum resíduo da resposta acústica do estímulo, caracterizada por um sinal oscilatório

amortecido que se sobrepõe aos sinais que se acredita ser das CEOAEs.

Figura 31. Buffers A & B.

O espectro cruzado dos sinais dos Buffers A & B pode ser visto na Figura 32. Dentre os

ouvidos saudáveis existe uma variabilidade muito grande em relação ao valor da amplitude no

32

espectro cruzado, ficando difícil se definir um padrão. Porém, a distribuição esperada no

domínio das frequências é indicada na Figura 33 (WHITEHEAD,1994).

Figura 32. Espectro cruzado dos buffers A & B.

Figura 33. A curva de triângulos pretos indica um padrão no espectro de frequências das

CEOAE. Os triângulos brancos são a estimativa de ruído, (WHITEHEAD,1994).

O espectro da estimativa do ruído se encontra ilustrado na Figura 34.

33

Figura 34. Estimativa do ruído.

O gráfico de resposta (Figura 35), que é o gráfico do espectro cruzado diminuído do

gráfico da estimativa do ruído, a fim de retirar a influência do segundo na estimativa das

CEOAE.

Figura 35. Gráfico da estimativa das CEOAEs.

34

5 Discussão e conclusões

Com mostrado pelas formas de onda da média dos Buffers A e B na seringa e na orelha

humana (Figura 36), conseguimos detectar parte das CEOAES.

Figura 36. Acima, os buffers coletados da seringa. Abaixo, da orelha humana.

Contudo, houve uma grande dificuldade durante todo o processo em se conseguir um

ambiente silencioso o suficiente (poucas fontes sonoras) para realizar as medições. Neste

trabalho, os resultados obtidos foram coletados dentro de uma sala acusticamente isolada de um

estúdio de música. Qualquer fonte de ruído - ar condicionado, por exemplo – parecia influenciar

significativamente nos valores da estimativa de ruído, comprometendo o gráfico de estimativa

das CEOAEs. Em clínicas onde são realizados exames de detecção de OAEs a sala onde o

exame é realizado possui adequação acústica. Além disso, os pais recebem orientação para que

os filhos sejam impedidos de dormir por horas seguidas na noite anterior ao exame, para que o

mesmo fique quieto e em sono profundo durante a realização do exame.

35

O problema do sinal oscilatório amortecido presente nos buffers nos indica que talvez

cortar mais do que 5 ms da parte inicial da janela poderia ter ajudado a reduzir a participação

deste sinal no resultado final. Contudo, optou-se por seguir os valores apontados pela literatura

(WHITEHEAD,1994).

No final, comparando o resultado do espectro cruzado e do gráfico de estimativa de

CEOAEs com o padrão da Figura 33, podemos concluir que definitivamente conseguimos

detectar emissões otoacústicas e separá-las dos artefatos de estímulo.

36

6 Referências bibliográficas

BERLIN, C. I. Otoacoustic Emissions: Basic Science and Clincal Applications. San Diego

- London: Singular Publishing Group, Inc., [s.d.].

COELHO, M. DE S. B. et al. Otoacoustic emissions in the differential diagnosis of the noise-

induced auditory losses. Revista CEFAC, dez. 2010. v. 12, n. 6, p. 1050–1058. . Acesso em:

17 dez. 2014.

COUTO, C. M. DO; CARVALLO, R. M. M. The effect external and middle ears have in

otoacoustic emissions. Revista Brasileira de Otorrinolaringologia, fev. 2009. v. 75, n. 1, p.

15–23. . Acesso em: 17 dez. 2014.

M. T. DE OLIVEIRA, P. REDUÇÃO DE ARTEFATO DE ESTÍMULO EM EMISSÕES

OTOACÚSTICAS EVOCADAS POR CLIQUES. out. 2004.

NEUMANN, J. Otoacoustic Emission Evoked by Chirp Signal. [S.l: s.n., s.d.].

PROBST, R.; LONSBURY-MARTIN, B. L.; MARTIN, G. K. A review of Otoacoustic

Emissions. Journal of the Acoustical Society of America, nov. 1990.

WHITEHEAD, M. L. et al. Measurement of Otoacoustic Emissions for Hearing Assessment.

IEEE Engineering in Medicine and Biology, maio. 1994.

WELLS, L. K.; TRAVIS, J. LabVIEW for Everyone - Graphical Programming Made

Even Easier. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR, [s.d.].

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ANEXO – Datasheets

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