Diseno Estetoscopio Electronico Gutierrez 2008

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FECHA Noviembre 25 de 2008

NMERO RA PROGRAMA Ingeniera de Sonido

AUTOR (ES) GUTIRREZ, Daniel y HERNNDEZ, Jorge. TTULO Diseo y Construccin de un Estetoscopio Electrnico.

PALABRAS CLAVES

Estetoscopio

Filtros Activos

Amplificacin

Transductores

DESCRIPCIN

Diseo de una herramienta de auscultacin de todo tipo consistente en un estetoscopio electrnico y unos plug-in en lenguaje nyquist para cada tipo de auscultacin.

FUENTES BIBLIOGRFICAS

BOYLESTAD, Electrnica; teora de los circuitos, 5ta Edicin, Pearson, 2001.

ARNAU, Antonio, Piezoelectric Transducers And Applications, 2004

DORF, Circuitos Elctricos, 3ra Edicin, Alfa omega, 2000.

W. NILLSSON, James, circuitos Elctricos, 7a Edicin, Prentice Hall, 2005.

Springhouse Editor, Auscultation Skills:Breath and Heart Sounds

D.Johnson and J.Hilburn, Rapid Practical Designs of Active Filters, John Wiley & Sons,1975.

H.Berlin, Design of Active Filters with Experiments, Howard W.Sams & Co., 1979.

M.Van Falkenburg, Analog Filter Design, Oxford University Press, 1982.

S.Franko, Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, McGrawHill,1988

Kugelstadt, Thomas. Active Filter Design with OP Amps. En: Texas Instruments Filter Design. Dallas: Texas Instruments Incorporated;2008.

Hosiden. Guide for Electret Condenser Microphones. En: Modern Transducers: Hosiden Corporation: 2004.

http://audacity.sourceforge.net/help/nyquist

http://www-2.cs.cmu.edu/rbd/doc/nyquist/root.html

http://www.sengpielaudio.com/calculator-db-volt.htm

http://www.hosiden.co.jp/web/english/web/products/pdf/e_on06_mic.pdf

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CONTENIDOS

TRANSDUCCION

Muestra el diseo de una etapa de transduccin mecano-elctrica a partir de las caractersticas de un micrfono electret.

FILTRADO Y PREAMPLIFICACION

Muestra el diseo de un filtro pasa alto y pasa bajo butterworth de segundo orden a partir de la topologa de Sallen Key y el diseo de un amplificador de baja potencia con ganancia de 200.

MONTAJE

Especifica el esquema y las diferentes etapas para el montaje del estetoscopio.

AUDACITY

Muestra el diseo de 3 plug-in de filtrado en lenguaje nyquist.

ERGONOMIA

Muestra como aplicamos la ergonoma en el diseo del estetoscopio a partir de la informacin recolectada en la encuesta.

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METODOLOGA

El enfoque de esta investigacin es Emprico - Analtico. La lnea de investigacin de la USB es tecnologas actuales y sociedad, ya que el proyecto profundiza en conceptos de investigacin y desarrollo tecnolgico; que enmarcan la sub-lnea de facultad en procesamiento de seales digitales y/o anlogas, debido a la comprensin e implementacin de un dispositivo de amplificacin y filtrado para la optimizacin de una seal generada por el transductor; el campo temtico de programa es el diseo de sistemas de sonido, por la comprensin de los conceptos necesarios para llevar acabo el propsito de esta investigacin.

TECNICAS DE RECOLECCION DE INFORMACION

Para la realizacin de este proyecto se desarrollo una encuesta dirigida a profesionales de la salud familiarizados con el proceso de auscultacin y de esta manera obtener informacin acerca de la ergonoma y presentacin del estetoscopio.

POBLACION Y MUESTRA

La encuesta fue dirigida a profesionales en medicina, que tengan por lo menos 3 aos de experiencia en el campo laboral (Incluida la practica rural) y que actualmente estn desempeando su labor.

HIPOTESIS

El producto de esta investigacin (Estetoscopio Electrnico) consistente en un transductor piezoelctrico, una etapa de filtrado y una etapa de amplificacin, todo complementado por un software de adquisicin de datos (Procesamiento de Audio Digital) cubrir las necesidades del personal mdico y especialmente de aquellos con conocimientos especficos en la auscultacin, convirtindose en una herramienta de ltima generacin y con una potencial demanda en el mercado de instrumentacin mdica.

Variables Independientes

Calidad de los elementos electrnicos utilizados. Disponibilidad de elementos electrnicos solicitados.

Variables Dependientes

Versatilidad del estetoscopio electrnico. Calidad en la audicin luego de los procesos.

CONCLUSIONES

Para el desarrollo de este proyecto siempre se busc la consecucin de un producto funcional, prctico, fiable y econmico que eventualmente estara en capacidad de competir en el mercado nacional, donde an no se fabrican estos elementos y los que existen son importados y vendidos a un precio mnimo de $500.000 de marcas como 3M y Welch-Allen. Cada parte del diseo fue estudiada evaluando la calidad final del audio para obtener la mejor relacin de seal y ruido.

Por ejemplo, empezando el diseo de los filtros en la protoboard se pudo comprobar que el material piezoelctrico que se acomodaba al presupuesto (Un buzzer de tipo piezoelctrico cermico) no tena la sensibilidad necesaria para que la seal fuera de buena calidad, as que se opt por un micrfono electret de condensador que se alimenta de una fuente de voltaje continuo externa, pero posee una muy buena sensibilidad.

El montaje de cada una de las etapas en protoboard ofreca una calidad de audio muy buena, sin embargo al ensamblar la baquela la cercana de los componentes, el tamao de la soldadura y la necesidad de utilizar un gran nmero de cables para completar las conexiones introdujeron cierto nivel de ruido imprevisto en la etapa de diseo. No obstante la calidad del audio es buena y permite mejoras a la hora de guardar un registro en audio con Audacity usando los plug-ins.

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DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN ESTETOSCOPIO ELECTRNICO

DANIEL ALEJANDRO GUTIRREZ BRAVO 20031114039

JORGE ALBERTO HERNNDEZ RODRGUEZ 20031114129

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA INGENIERA DE SONIDO

BOGOT 2008

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TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO ................................................................................................................................. 5

INDICE DE ILUSTRACIONES .......................................................................................................................... 7

INDICE DE TABLAS ....................................................................................................................................... 8

INTRODUCCIN ........................................................................................................................................... 9

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ..................................................................................................... 11

1.1 ANTECEDENTES ................................................................................................................................. 11 1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA ............................................................................... 14 1.3 JUSTIFICACIN .................................................................................................................................. 14 1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN ..................................................................................................... 15

1.4.1 Objetivo General ........................................................................................................................ 15 1.4.2 Objetivos Especficos ................................................................................................................. 15

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO ...................................................................................... 16 1.5.1 Alcances ..................................................................................................................................... 16 1.5.2 Limitaciones............................................................................................................................... 16

2. MARCO DE REFERENCIA ..................................................................................................................... 17

2.1 MARCO TERICO - CONCEPTUAL ...................................................................................................... 17 2.1.1 Estetoscopio .............................................................................................................................. 17 2.1.2 Tipos de sonidos en el cuerpo humano ...................................................................................... 19

2.1.2.1 Sonidos intestinales ........................................................................................................................... 19 2.1.2.2 Sonidos pulmonares .......................................................................................................................... 20 2.1.2.3 Sonidos Cardiacos ............................................................................................................................. 20

2.1.3 Transductores Electroacsticos: ................................................................................................ 21 2.1.3.1 Transductores piezoelctricos .......................................................................................................... 22

2.1.4 Filtro Electrnico ........................................................................................................................ 23 2.1.4.1 Funcin de Transferencia ................................................................................................................. 23 2.1.4.2 Tipos de Filtros ................................................................................................................................... 24

2.1.4.2.1 Filtro de Butterworth ................................................................................................................... 24 2.1.4.2.2 Filtro de Chebyshev .................................................................................................................... 25 2.1.4.2.3 Filtro de Cauer ............................................................................................................................. 27 2.1.4.2.4 Filtro de Bessel ............................................................................................................................ 28

2.1.4.3 Tipos de Filtros segn su Respuesta en Frecuencia: ................................................................... 29 2.1.4.3.1 Filtro Paso Bajo ........................................................................................................................... 29 2.1.4.3.2 Filtro Paso Alto ............................................................................................................................ 31 2.1.4.3.3 Filtro Paso Banda ........................................................................................................................ 32 2.1.4.3.4 Filtro Elimina Banda .................................................................................................................... 32 2.1.4.3.5 Filtro Multibanda .......................................................................................................................... 33

2.1.4.4 Tipos de Filtros Activos y Pasivos ................................................................................................... 33 2.1.4.4.1 Filtro Pasivo ................................................................................................................................. 33 2.1.4.4.2 Filtro Activo .................................................................................................................................. 33

2.1.4.5 Tipos de Filtros Analgicos o Digitales ........................................................................................... 34 2.1.4.5.1 Filtro Analgico ............................................................................................................................ 34

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2.1.4.5.2 Filtro Digital .................................................................................................................................. 34 2.1.4.6 Parmetros del filtro ........................................................................................................................... 35

2.1.4.6.1 Frecuencia de corte .................................................................................................................... 35 2.1.4.6.2 Frecuencia central....................................................................................................................... 35 2.1.4.6.3 Ancho de Banda .......................................................................................................................... 36 2.1.4.6.4 Factor de calidad (Q) .................................................................................................................. 36 2.1.4.6.5 Orden ............................................................................................................................................ 37

2.1.5 El Preamplificador ..................................................................................................................... 37

3. METODOLOGA .................................................................................................................................. 39

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN ...................................................................................................... 39 3.2 LNEA DE INVESTIGACIN USB / SUB-LNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA ... 39 3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN ................................................................................ 39 3.4 POBLACION Y MUESTRA .................................................................................................................... 40 3.5 HIPTESIS .......................................................................................................................................... 40 3.6 VARIABLES ......................................................................................................................................... 40

3.6.1 Variables Independientes .......................................................................................................... 40 3.6.2 Variables Dependientes ............................................................................................................. 40

4. DESARROLLO INGENIERIL ................................................................................................................... 41

4.1 FILTRADO Y PREAMPLIFICACION ....................................................................................................... 42 4.1.1 Diseo del filtro pasa altos de segundo orden Butterworth ...................................................... 45 4.1.2 Diseo del filtro pasa bajos de segundo orden Butterworth ..................................................... 48 4.1.3 Diseo de un amplificador de audfonos ................................................................................... 51

4.2 AUDACITY .......................................................................................................................................... 56 4.2.1 Programacin del plug-in .......................................................................................................... 56

5. PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS ..................................................................................... 65

MEDICIN DE GANANCIA DEL AMPLIFICADOR ........................................................................................................... 65 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO PASA BANDA ................................................................................................. 66

6. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................... 72

7. RECOMENDACIONES .............................................................................................................................. 73

ANEXOS ..................................................................................................................................................... 74

TABLA DE COEFICIENTES DE BESSEL .............................................................................................................. 74 TABLA DE COEFICIENTES DE BUTTERWORTH ................................................................................................ 76 GENERALIDADES DE AUDACITY ..................................................................................................................... 77

Licencia y distribucin ............................................................................................................................... 82 Programacin en Audacity ........................................................................................................................ 83 Lenguaje de programacin Nyquist .......................................................................................................... 86 Programacin de plugins........................................................................................................................... 89 Dilogos de Parmetros ............................................................................................................................ 91 Etiquetas de respuesta (Returning labels) ................................................................................................. 93

GLOSARIO .................................................................................................................................................. 95

BIBLIOGRAFA .......................................................................................................................................... 101

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INDICE DE ILUSTRACIONES

ILUSTRACIN 1 RESPUESTA TPICA DE UN FILTRO DE BUTTERWORTH ................................................................................. 24 ILUSTRACIN 2 RESPUESTA TPICA DE UN FILTRO CHEBYSHEV TIPO I ................................................................................. 26 ILUSTRACIN 3 RESPUESTA TPICA DE UN FILTRO CHEBYSHEV TIPO II ................................................................................ 27 ILUSTRACIN 4 RESPUESTA TPICA DE UN FILTRO DE CAUER ............................................................................................ 28 ILUSTRACIN 5 RESPUESTA TPICA DE UN FILTRO DE BESSEL ............................................................................................ 29 ILUSTRACIN 6 RESPUESTA EN FRECUENCIA DE UN MICRFONO ELECTRET ......................................................................... 42 ILUSTRACIN 7 DIAGRAMA TPICO DE CONEXIN DEL MICRFONO ELECTRET ...................................................................... 42 ILUSTRACIN 8 FILTRO PASA BAJOS PASIVO DE SEGUNDO ORDEN ..................................................................................... 44 ILUSTRACIN 9 FILTRO PASA BAJOS ACTIVO DE SEGUNDO ORDEN ..................................................................................... 44 ILUSTRACIN 10 DIAGRAMA EN BLOQUE DE UN FILTRO PASA BANDA ................................................................................ 44 ILUSTRACIN 11 TOPOLOGA SALLEN-KEY DE UN FILTRO PASA ALTOS DE SEGUNDO ORDEN ................................................... 45 ILUSTRACIN 12 TOPOLOGA SALLEN-KEY DE UN FILTRO PASA ALTOS DE GANANCIA UNITARIA ............................................... 46 ILUSTRACIN 13 TOPOLOGA SALLEN-KEY DE UN FILTRO PASA BAJOS DE SEGUNDO ORDEN ................................................... 48 ILUSTRACIN 14 TOPOLOGA SALLEN-KEY DE UN FILTRO PASA BAJOS DE GANANCIA UNITARIA ............................................... 49 ILUSTRACIN 15 CONFIGURACIN TPICA DEL LM386 PARA GANANCIA MXIMA DE 200 .................................................... 52 ILUSTRACIN 16 ESQUEMA DE ENSAMBLAJE ................................................................................................................ 53 ILUSTRACIN 17 ETAPAS DE PROCESAMIENTO ............................................................................................................. 53 ILUSTRACIN 18 ENSAMBLAJE DE LA BAQUELA EN LA CAJA ............................................................................................. 54 ILUSTRACIN 19 DISPOSITIVO TRANSDUCTOR .............................................................................................................. 54 ILUSTRACIN 20 ENTRADA DE LA SEAL Y SWITCH ON/OFF ............................................................................................. 55 ILUSTRACIN 21 4 SALIDAS DE LNEA PARA AUDFONO O COMPUTADOR ........................................................................... 55 ILUSTRACIN 22 LOGOTIPO ACTUAL DE AUDACITY ....................................................................................................... 56 ILUSTRACIN 23 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO PASA BANDA ............................................................................. 68 ILUSTRACIN 24 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO PASA BANDA DE AUSCULTACIN CARDIACA .................................... 69 ILUSTRACIN 25 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO PASA BANDA DE AUSCULTACIN PULMONAR .................................. 70 ILUSTRACIN 26 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO PASA BANDA DE AUSCULTACIN GASTRO-INTESTINAL ...................... 71 ILUSTRACIN 27 VENTANA DE TRABAJO EN AUDACITY ................................................................................................... 82 ILUSTRACIN 28 EJEMPLO DE ENVOLVENTES APLICADAS EN PLUG-INS ............................................................................... 89 ILUSTRACIN 29 DIALOGO DE PARAMETROS DE UN PLUGIN EN AUDACITY ......................................................................... 92

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INDICE DE TABLAS

TABLA 1 RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL FILTRO PASA BANDA ........................................................................................ 67

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INTRODUCCIN

La auscultacin es una de las herramientas de diagnstico mdico que brinda ms informacin sobre la salud de los sistemas ms importantes del ser humano, entre ellos el sistema cardiovascular, sistema respiratorio y sistema digestivo. La tcnica consiste en la interpretacin de los sonidos internos del cuerpo emitidos por diversas fuentes como el corazn, pulmones e intestinos. Para escuchar los sonidos internos del cuerpo se utilizan generalmente instrumentos llamados estetoscopios los cuales consisten de una campana que captura las vibraciones o sonidos internos y las transfiere mediante un tubo de PVC (Cloruro de Polivinilo) a los tubos de acero inoxidable correspondientes a cada odo con unas terminaciones llamadas olivas que permiten aislar el conducto auditivo para tener una mejor relacin seal ruido.

Aunque el estetoscopio es un instrumento prximo a cumplir ms de 190 aos, son muy pocos los avances tecnolgicos que se han implementado para aprovechar al mximo la informacin que brinda, los avances ms significativos que se han logrado estn dedicados a la ergonoma del instrumento y a su esttica, la mayora de los estetoscopios que estn en uso siguen teniendo una funcionalidad completamente mecnica-acstica, no poseen herramientas tecnolgicas tiles como la amplificacin de seal, el uso de filtros selectivos y medios de grabacin que facilitaran y mejoraran las posibilidades de detectar una anomala en el funcionamiento de algn rgano o sistema.

El proyecto tiene como finalidad crear una herramienta de diagnstico electrnica para el personal mdico en todos los tipos de auscultaciones que se llevan a cabo (Sonido intestinal, cardiovascular y respiratorio) empleando elementos electrnicos

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como filtros selectivos (pasa banda) para ajustar especficamente la banda de frecuencias propia de este tipo de exmenes y preamplificadores que permitirn ajustar la ganancia para obtener un nivel de seal ptimo. La salida de este preamplificador permitir conectar cuatro auriculares para sesiones de aprendizaje grupales en auscultacin, as como la posibilidad de realizar grabaciones del audio para monitorear la evolucin de ciertas enfermedades o condiciones mdicas convirtindose as en una excelente herramienta de trabajo para el estudiante.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES

Escuchar dentro del cuerpo es una obsesin clnica desde tiempos inmemoriales. La medicina obtiene algunas tcnicas de otras tecnologas ms simples, por ejemplo la de los toneleros o especialistas en conservar vinos. Para medir el nivel de los barriles, los toneleros golpeteaban el roble a veces utilizando su mano sobre la cual percutan con un martillo o con el dedo de la otra mano. De all el principio de percusin sobre el cuerpo que tiene como objetivo diferenciar sonidos de cavidades huecas o llenas.

Prcticamente desde el inicio de la medicina, los mdicos fueron conscientes de la importancia de la regularidad de los latidos del corazn como indicativo del estado del enfermo, as como de los significados que podan tener otros sonidos producidos por los pulmones. Al principio, para auscultar al enfermo, el mdico apoyaba su cabeza en el pecho del paciente, pero esto presentaba varios problemas: en el caso de las mujeres, se produca una situacin embarazosa para ellas; si se trataba de enfermos obesos, no era posible or bien; cuando el paciente no tena cuidado de su aseo (una situacin muy frecuente), era muy desagradable para el mdico, al igual que en el caso de enfermedades infecciosas.

El estetoscopio, por su parte, constituye una creacin posterior, cuando se empezaba a utilizar la tecnologa de amplificaciones de sonido mediante el uso de campanas. El estetoscopio para partos es el famoso Pinard, creado por el obstetra del mismo nombre y que consiste en una campana de madera de inspiracin

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claramente musical, es decir, en los instrumentos de viento. En cambio, el estetoscopio tal como se conoce hoy, es principalmente utilizado para auscultar los sonidos producidos en el interior del cuerpo, dentro de los cuales podemos encontrar:

A nivel cardaco: soplos; toma de presin arterial

A nivel abdominal: ruidos peristlticos, para lo cual muchas veces hay que dejar el estetoscopio en una sola posicin durante minutos de silencio, hasta la aparicin de sonidos.

Tambin se pueden encontrar soplos a nivel de las arterias como la aorta abdominal o fstulas arterio-venosas.

A nivel pulmonar: La aparicin de roncus, sibilancias, crepitancias, estertores finos, etc.

El estetoscopio fue inventado en Francia por el mdico Ren Thophile Hyacinthe Lannec en 1816 un gran clnico, adversario de cirujanos de la poca como Dupuytren, pero a quien se le debe la clasificacin de enfermedades en gnero y especie. Este, debido a la vergenza que senta al acercar su odo al pecho de las pacientes cre un cilindro de madera de 30 cm de largo, el cual dio origen al instrumento. Las investigaciones publicadas en el tratado sobre percusin y auscultacin (1839) de Josef Skoda, revelaron los secretos de la auscultacin como una herramienta de gran ayuda en el diagnstico de problemas cardiovasculares, respiratorios e intestinales. En 1851 Arthur Leared invent el estetoscopio binaural y en 1852 George Cammann perfecciono el diseo del instrumento para su produccin comercial, el cual fue vendido por ms de 80

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aos. Cammann tambin creo una teora para llevar a cabo diagnsticos mediante la auscultacin. Rappaport y Sprague disearon un nuevo estetoscopio en los aos cuarenta que se convirti en el estndar actual. Hewlett-Packard y Philips fueron los mayores productores en masa del modelo y muchos cardilogos especialmente lo consideran como una herramienta ideal para la auscultacin de corazn.

Los estetoscopios acsticos son familiares para las personas y su funcionamiento se basa en la transmisin sonora desde la campana (Copa vaca) o membrana (Disco plstico) hasta los tubos de polivinilo. Si el diafragma es colocado sobre el paciente las distintas vibraciones del cuerpo harn vibrar el diafragma, creando ondas de presin acsticas las cuales viajan hasta los odos. La campana transmite sonidos de baja frecuencia mientras que el diafragma transmite los de ms alta frecuencia, el problema ms importante siendo el muy bajo nivel de escucha.

La compaa 3M y la Welch-Allyn tienen actualmente en el mercado estetoscopios electrnicos que esperan reemplazar a los actuales. Los modelos ms baratos cuestan de US$280 a US$350.

Hoy en da, los estetoscopios no son solamente usados por los mdicos, ya que con ellos se pueden tambin objetivar diferentes tipos de ruidos y son de uso frecuente en agentes sanitarios, promotores de salud, tcnicos, enfermeros y hasta de uso hogareo para autocontrol de parmetros vitales como la presin arterial.

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1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA

Los estetoscopios electrnicos esperan reemplazar a los modelos acsticos actuales con herramientas tiles como la amplificacin del sonido y la atenuacin de ruidos o sonidos no deseados mediante la implementacin de filtros. Empresas como 3M, Littmann y Lynch Allyn pusieron en el mercado productos de buena calidad pero a un costo mucho mayor que el de un estetoscopio acstico y que, sin lugar a dudas, va a tardar mucho en Colombia para ser un estndar y slo unos cuantos mdicos tendrn acceso a este elemento. Por estos motivos existe la necesidad de crear esta herramienta con buenos ndices de calidad, ms funciones pero a un costo menor.

Cmo disear un estetoscopio electrnico que permita una mejor apreciacin de los sonidos internos del cuerpo, que brinde ms funciones tiles al personal mdico y que adems sea de bajo costo?

1.3 JUSTIFICACIN

Los principales beneficiados con este proyecto sern todos los potenciales pacientes que se sometan a una auscultacin. Con la realizacin de este proyecto se facilitara el diagnstico de cierto tipo de enfermedades o condiciones cardiovasculares, respiratorias y digestivas mediante una mejor calidad en la auscultacin, la percepcin de los sonidos sera ms clara y por tanto ms fcil de llevar a cabo por principiantes. Las cuatro salidas de audio permitiran dar clases en grupo de manera fcil y prctica; adems, mediante el software de grabacin, sera posible llevar registros sonoros de los pacientes y/o enfermedades. Asimismo, el precio del proyecto estara por debajo de los estetoscopios

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electrnicos que estn siendo comercializados por empresas como 3M, manteniendo una buena calidad y con funciones que van ms all del simple hecho de ser un instrumento digital.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN

1.4.1 Objetivo General

Disear y construir un estetoscopio electrnico para realizar auscultaciones de todo tipo (cardiovasculares, respiratorias e intestinales).

1.4.2 Objetivos Especficos

Disear y construir el elemento transductor (piezoelctrico) adecuado para el rango de frecuencias emitidas por las diversas fuentes sonoras (rganos) del ser humano.

Disear y construir 3 filtros predefinidos, uno para cada tipo de auscultacin.

Construir un preamplificador de 4 salidas para llevar a cabo sesiones de aprendizaje con estudiantes.

Determinar y comprobar las caractersticas tcnicas de los componentes. Ensamblar el equipo teniendo en cuenta la ergonoma y la presentacin del

mismo. Desarrollar un software de grabacin compatible con Windows XP para

guardar registros sonoros.

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1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO

1.5.1 Alcances

Implementar un dispositivo que sirva como herramienta de fcil uso y configuracin para el diagnstico de cierto tipo de enfermedades, permitindole al usuario el ajuste del volumen y el filtro de ajuste predeterminado para el tipo de auscultacin que se desea hacer.

Brindar las condiciones ms prcticas para llevar a cabo una leccin de entrenamiento con la posibilidad de grabar un registro sonoro para mejorar la interpretacin de las auscultaciones.

Fomentar el uso de nuevas tecnologas en el campo de la medicina mediante el desarrollo tecnolgico.

Desarrollar y popularizar una herramienta de trabajo que ofrece muchas mas ventajas que su predecesor.

1.5.2 Limitaciones

Disponibilidad de la tecnologa en el mercado nacional. Versatilidad de las herramientas tcnicas y tecnolgicas para la

implementacin y desarrollo del dispositivo. Costos de la tecnologa y herramientas para la implementacin del

dispositivo.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO TERICO - CONCEPTUAL

2.1.1 Estetoscopio

El estetoscopio, conocido tambin como fonendoscopio, es un aparato usado en medicina, veterinaria y enfermera para or los sonidos internos del cuerpo. Generalmente se usa en la auscultacin de los latidos cardacos o los ruidos respiratorios, aunque algunas veces tambin se usa para objetivar ruidos intestinales o soplos por flujos anmalos sanguneos en arterias. El estetoscopio fue inventado en Francia por el mdico Ren Thophile Hyacinthe Lannec en 1816. Este, debido a la vergenza que senta al acercar su odo al pecho de las pacientes cre un cilindro de madera de 30 cm de largo, origen del instrumento.1 Est constituido por dos tubos de goma que terminan en dos olivas que se adaptan al odo y adems dichos tubos enlazan con otro que contiene un diafragma y una campana los cuales amplifican los sonidos de auscultacin.

Dentro de sus funcionalidades est:

A nivel cardaco: Diagnstico de soplos y toma de presin arterial.

A nivel abdominal: Ruidos peristlticos del intestino, para lo cual muchas veces hay que dejar el estetoscopio en una sola posicin durante minutos de silencio,

1 Wikimedia Foundation Inc. Auscultacin[Articulo en internet]

http://es.wikipedia.org/wiki/Auscultaci%C3%B3n [Consulta: 17 de Enero de 2008]

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hasta la aparicin de sonidos. Tambin se pueden encontrar soplos a nivel de las arterias como la aorta abdominal o fstulas arterio-venosas.

A nivel pulmonar: La aparicin de roncus, sibilancias, crepitancias, estertores finos, etc.

Hoy en da, los estetoscopios no son solamente usados por los mdicos, ya que con ellos se pueden tambin objetivar diferentes tipos de ruidos y son de uso frecuente en agentes sanitarios, promotores de salud, tcnicos, enfermeros y hasta de uso hogareo para autocontrol de parmetros vitales como la presin arterial.

No existe ningn riesgo para aquellas personas que son examinadas con un estetoscopio, porque el normal funcionamiento de este instrumento, no se asocia con un posible dao hacia el paciente o hacia la persona que lo esta utilizando para examinar. Es un examen no invasivo. Los estetoscopios reproducen informacin muy importante, cuando es empleado por una persona con entrenamiento y experiencia.2

Los estetoscopios varan en su diseo y material. En estos tiempos existen una gran cantidad de marcas y modelos, pero en general, el largo aproximado es de unos 70cm, y esta compuesto por una campana, olivas, dos tubos de acero y otro de cloruro de polivinilo. Hay tipos clsicos, peditricos, cardiolgicos, veterinarios, electrnicos, entre otros. El que cada da se est utilizando ms y va ganando terreno es el estetoscopio electrnico, ya que presenta una mejora considerable al estetoscopio tradicional. Tiene una mayor respuesta a la frecuencia, una mejor sensibilidad al sonido y un control para el volumen, para disminuir el nivel si el

2 Springhouse Corporation. The heart and auscultation. En: Springhouse Corporation. Auscultation Skills:

Breath and Heart Sounds. Ann Arbor: Springhouse; 2002. P.7-8

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sonido es muy fuerte o molesto para el odo humano. En general, el sonido es recopilado por una sonda, ampliado y luego trasmitido a los auriculares. Por un lado tiene una membrana que en un primer momento trasmite los sonidos con una tonalidad relativamente alta. Y por otro lado, tiene una campana que trasmite los sonidos ms bajos. Es muy importante que se apoye toda la superficie de la campana sobre el cuerpo del paciente a efectos de aislar todos los ruidos que pueda haber en el ambiente.

2.1.2 Tipos de sonidos en el cuerpo humano

2.1.2.1 Sonidos intestinales

Los sonidos abdominales (sonidos peristlticos) son hechos por los movimientos de los intestinos a medida que impulsan el alimento. Debido a que los intestinos son huecos, los sonidos que producen pueden hacer eco a travs del abdomen con sonidos similares a los que producen las tuberas del agua. La gran mayora de los sonidos intestinales son benignos y simplemente indican que el tracto gastrointestinal est funcionando y son evaluados al escuchar el abdomen con un estetoscopio (auscultacin). Aunque la mayora de los sonidos son normales, en algunos casos hay sonidos anormales que proveen informacin valiosa acerca de la salud del organismo. El rango de frecuencias esta comprendido entre los 80 a los 300 Hz.3


Breath and Heart Sounds. Ann Arbor: Springhouse; 2002. P. 8

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2.1.2.2 Sonidos pulmonares

Los sonidos pulmonares son los sonidos producidos por las estructuras de los pulmones durante la respiracin. Generalmente, los sonidos pulmonares se escuchan con un estetoscopio, un procedimiento denominado auscultacin. Los sonidos pulmonares normales estn presentes en toda el rea torcica, extendindose hasta por encima de la clavcula y la parte inferior de la caja torcica. Con el uso del estetoscopio, el mdico puede escuchar sonidos respiratorios normales, sonidos respiratorios disminuidos o ausentes y sonidos respiratorios anormales. Los ruidos respiratorios son de baja frecuencia, entre los 16 y 500 Hz, regin en la cual el odo humano es poco sensible.4

2.1.2.3 Sonidos Cardiacos

Los soplos son ruidos silbantes o speros ocasionados por un flujo sanguneo turbulento a travs de las vlvulas cardacas o cerca al corazn. Un mdico puede evaluar los sonidos cardacos escuchando con un estetoscopio. El corazn tiene cuatro cmaras: dos cmaras superiores (llamadas aurculas) y dos cmaras inferiores (ventrculos). Las vlvulas cardacas se cierran temporalmente para permitir la salida del flujo sanguneo en una sola direccin. Las vlvulas estn localizadas entre las aurculas y los ventrculos, y entre los ventrculos y las principales arterias que salen del corazn. Los sonidos cardacos normales se denominan S1 y S2 y corresponden a los sonidos "lubb- dupp" considerados como


Breath and Heart Sounds. Ann Arbor: Springhouse; 2002. P. 8

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los latidos cardacos y se producen cuando las vlvulas se cierran. Estn comprendidos entre los 18 a los 130 Hz.5

2.1.3 Transductores Electroacsticos:

Elementos que transforman electricidad en sonido o viceversa. Un transductor es un dispositivo que convierte una seal de un tipo de energa en otra. La base es sencilla, se puede obtener la misma informacin de cualquier secuencia similar de oscilaciones, ya sean ondas sonoras (aire vibrando), vibraciones mecnicas de un slido, corrientes y voltajes alternos en circuitos elctricos, vibraciones de ondas electromagnticas radiadas en el espacio en forma de ondas de radio o las marcas permanentes grabadas en un disco o una cinta magntica.6

Tipos de transductores electroacsticos:

Electrodinmico, dinmico o bobina mvil. Electrostticos. Piezoelctricos. De radiacin directa. De radiacin indirecta. Banda ancha. Bajas frecuencias: woofers y sub-woofers. Frecuencias medias: mid-range. Altas frecuencias: tweeters y ultra-high-tweeters


Breath and Heart Sounds. Ann Arbor: Springhouse; 2002. P.7-8 6 Arnau, Antonio. Overview of Acoustic Wave Microsensors. En: Arnau, Antonio. Piezoelectric Transducers

And Applications. Valencia: Springer; 2004. P. 41

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2.1.3.1 Transductores piezoelctricos

El transductor piezoelctrico tiene la ventaja de no estar limitado al uso en el aire. Un transductor piezoelctrico puede estar unido a un slido o inmerso en un lquido no conductor para captar seales sonoras. 7 Adems, el transductor piezoelctrico se puede usar fcilmente a frecuencias ultrasnicas, algunos tipos se pueden usar hasta la regin alta de los MHz. Todos los transductores piezoelctricos requieren un material cristalino en el cual los iones del cristal estn desplazados de un modo asimtrico cuando el cristal se deforma. La linealidad puede variar considerablemente segn el tipo de material que se use. Los tipos originales de micrfonos de cristal usaban cristales de sal Rochelle acoplados a un diafragma. Esto aseguraba niveles de salida muy altos (del orden de 100 mV), con una gran impedancia de salida y una linealidad muy mala. La sal Rochelle dejo de usarse hace tiempo debido a que pasaba a un estado inactivo cuando se mantena a una temperatura y humedad moderadamente altas. Hoy en da se usan cristales sintticos en lugar de naturales. Uno de los materiales usados es el titanato de bario, el cual se usa en transductores piezoelctricos para frecuencias por encima de varios cientos de Khz. El micrfono piezoelctrico que usaba un diafragma unido a un cristal es raramente visto ahora, porque la sensibilidad de los materiales piezoelctricos modernos a la vibracin es tal que es suficiente el impacto de la onda de sonido en el cristal para producir la salida adecuada. El micrfono piezoelctrico tiene un gran nivel de impedancia y una salida mucho ms grande que otros tipos. El nivel de la impedancia es del orden de varios megaohmnios, en comparacin con unos pocos ohmnios para uno del tipo de bobina mvil. A este alto nivel de impedancia, la recepcin electrosttica de zumbidos/murmullos es casi imposible de evitar, solamente con los problemas de los efectos de carga y filtrado del cable del micrfono. Para micrfonos de baja

7 Arnau, Antonio. Overview of Acoustic Wave Microsensors. En: Arnau, Antonio. Piezoelectric Transducers

And Applications. Valencia: Springer; 2004. P. 53

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calidad esto tiene poca importancia, pero no para los propsitos de los estudios de grabacin. Para estos, el cristal transductor se acopla directamente a un preamplificador MOS que puede sacar una baja impedancia de salida con el mismo nivel alto de voltaje de salida que proporciona el transductor piezoelctrico. El voltaje de operacin del preamplificador puede ser dado por una batera para evitar los problemas de llevar la alimentacin a travs de cables adems de los cables de la seal.

2.1.4 Filtro Electrnico

Es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una seal elctrica que pasa a travs de l, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase.

Las caractersticas que definen un filtro vienen determinadas por los siguientes conceptos:

2.1.4.1 Funcin de Transferencia

Con independencia de la realizacin concreta del filtro (analgico, digital o mecnico) la forma de comportarse de un filtro se describe por su funcin de transferencia8 . sta determina la forma en que la seal aplicada cambia en amplitud y en fase al atravesar el filtro.

8 Kugelstadt, Thomas. Active Filter Design with OP Amps. En: Texas Instruments Filter Design. Dallas:

Texas Instruments Incorporated;2008. P. 16-1

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2.1.4.2 Tipos de Filtros

2.1.4.2.1 Filtro de Butterworth

El filtro de Butterworth es uno de los filtros electrnicos ms bsicos, diseado para producir la respuesta ms plana que sea posible hasta la frecuencia de corte. En otras palabras, la salida se mantiene constante casi hasta la frecuencia de corte, luego disminuye a razn de 20n dB por dcada ( -6n dB por octava), donde n es el nmero de polos del filtro.9 El filtro de Butterworth ms bsico es el tpico filtro pasa bajo de primer orden, el cual puede ser modificado a un filtro pasa alto o aadir en serie otros formando un filtro pasa banda o elimina banda y filtros de mayores rdenes. El filtro de Butterworth es el nico filtro que mantiene su forma para rdenes mayores (slo con una cada de ms pendiente a partir de la frecuencia de corte).Este tipo de filtros necesita un mayor orden para los mismos requerimientos en comparacin con otros, como los de Chebyshev o el elptico.

Ilustracin 1 Respuesta tpica de un filtro de Butterworth



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2.1.4.2.2 Filtro de Chebyshev

En los filtros de chebyshev ocurre una cada de la respuesta en frecuencia ms pronunciada en frecuencias bajas debido a que permiten ms rizado que otros filtros en alguna de sus bandas. Se conocen dos tipos de filtros de chevyshev los cuales son:

Filtros de Chebyshev de tipo I

Son filtros que nicamente tienen polos, presentan un rizado constante en la banda pasante y presentan una cada monotnica en la banda no pasante. La respuesta en frecuencia es:

Para: Donde N es el orden del filtro, c es la frecuencia de corte, es la frecuencia analgica compleja (=j w) y TN(x) es el polinomio de Chebyshev de orden N, que se define como:

Con: T0(x) = 1 y T1(x) = x

En estos filtros la frecuencia de corte no depende de N y el mdulo de su respuesta en frecuencia oscila (rizado) entre:

1 y .

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Ilustracin 2 Respuesta Tpica de un filtro Chebyshev Tipo I

Filtros de Chevyshev de tipo II

Estos filtros a diferencia de los chevyshev I presentan ceros y polos, su rizado es constante en la banda no pasante y adems presentan una cada monotnica en la banda pasante. Su respuesta en frecuencia es:

Para: En un diagrama de circunferencia unidad, los polos estaran en una elipse y los ceros sobre el eje imaginario.

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Ilustracin 3 Respuesta Tpica de un filtro Chebyshev Tipo II

2.1.4.2.3 Filtro de Cauer

Estn diseados de manera que consiguen estrechar la zona de transicin entre bandas y acotar el rizado entre las mismas. La diferencia con el filtro de Chevyshev es que este slo lo hace en una de las bandas. Estos filtros suelen ser ms eficientes debido a que al minimizar la zona de transicin, ante unas mismas restricciones consiguen un menor orden. Por contra son los que presentan una fase menos lineal.10

La respuesta en frecuencia de un filtro pasa bajo elptico es:

Para:



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Donde N es el orden del filtro, c es la frecuencia de corte, es la frecuencia analgica compleja (=j w) y RN(x) es la funcin jacobiana elptica de orden N, normalmente de primera clase:

Ilustracin 4 Respuesta Tpica de un filtro de Cauer

2.1.4.2.4 Filtro de Bessel

Son filtros que nicamente tienen polos. Estn diseados para tener una fase lineal en las bandas pasantes, por lo que no distorsionan las seales; por el contrario tienen una mayor zona de transicin entre las bandas pasantes y no pasantes. Cuando estos filtros se transforman a digital pierden su propiedad de fase lineal.

Su respuesta en frecuencia es:

29

Donde N es el orden del filtro y el denominador es un polinomio de Bessel, cuyos coeficientes son:

Con: k=0, 1, 2,..., N

Ilustracin 5 Respuesta Tpica de un filtro de Bessel

2.1.4.3 Tipos de Filtros segn su Respuesta en Frecuencia:

2.1.4.3.1 Filtro Paso Bajo

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Un filtro paso bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias ms bajas y atenuar las frecuencias ms altas. En particular la funcin de transferencia de un filtro paso bajo de primer orden corresponde a:

Donde la constante K es slo una ponderacin y la real importancia reside en la forma de la funcin de transferencia:

La cual determina el comportamiento del filtro. Adems Wc corresponde a la frecuencia de corte, es decir la frecuencia a partir de la cual el filtro comienza a atenuar la seal de entrada.

De la misma forma la funcin de transferencia de un filtro paso bajo de segundo orden es:

Donde Wo es la frecuencia natural del filtro y E es el factor de amortiguamiento de este.

Filtro paso bajo analgico: El ms sencillo est armado en una resistencia y un condensador (o bobina). Filtro paso bajo digital: La ecuacin de un filtro paso bajo digital de primer orden es:

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Tambin es llamado filtro promediador, debido a que promedia las muestras de la entrada y por lo tanto suprime variaciones rpidas, caracterstica que le otorga el carcter de paso bajo.

2.1.4.3.2 Filtro Paso Alto

Un filtro paso alto (HPF) es un tipo de filtro electrnico en cuya respuesta en frecuencia se atenan las componentes de baja frecuencia pero no las de alta frecuencia. El filtro paso alto ms simple es un circuito RC en serie en el cual la salida es la cada de tensin en la resistencia. Si se estudia este circuito (con componentes ideales) para frecuencias muy bajas, en continua por ejemplo, se tiene que el condensador se comporta como un circuito abierto, por lo que no dejar pasar la corriente a la resistencia, y su diferencia de tensin ser cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente infinita, el condensador se comportar como un cortocircuito, es decir, como si no estuviera, por lo que la cada de tensin de la resistencia ser la misma tensin de entrada, lo que significa que dejara pasar toda la seal. Por otra parte, el desfase entre la seal de entrada y la de salida si vara.11

El producto de resistencia por condensador (RC) es la constante de tiempo, cuyo recproco es la frecuencia de corte, es decir, donde el mdulo de la respuesta en frecuencia baja es 3dB respecto a la zona pasante:



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Donde fc es la frecuencia de corte en hercios, R es la resistencia en ohmios y C es la capacidad en faradios. El desfase depende de la frecuencia f de la seal y sera:

2.1.4.3.3 Filtro Paso Banda

Un filtro paso banda es un tipo de filtro electrnico que deja pasar un determinado rango de frecuencias de una seal y atena el paso del resto.

Un circuito simple de este tipo de filtros es un circuito RLC (resistencia, bobina y condensador) en el que se deja pasar la frecuencia de resonancia, que sera la frecuencia central (fc) y las componentes frecuenciales prximas a sta. Otra forma de construir un filtro paso banda puede ser usar un filtro paso bajo en serie con un filtro paso alto entre los que hay un rango de frecuencias que ambos dejan pasar. Un filtro ideal sera el que tiene unas bandas pasante y de corte totalmente planas y unas zonas de transicin entre ambas nulas, pero en la prctica esto nunca se consigue, siendo normalmente ms parecido al ideal cuando mayor sea el orden del filtro, para medir cuanto de "bueno" es un filtro se puede emplear el denominado factor Q. En filtros de rdenes altos suele aparecer un rizado en las zonas de transicin conocido como efecto Gibbs.

2.1.4.3.4 Filtro Elimina Banda

Es un filtro electrnico que no permite el paso de las frecuencias que se encuentran comprendidas entre las frecuencias de corte superior e inferior. Pueden implementarse de diversas formas. Una de ellas consistir en dos filtros, uno paso bajo cuya frecuencia de corte sea la inferior del filtro elimina banda y otro

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paso alto cuya frecuencia de corte sea la superior del filtro elimina banda. Como ambos son sistemas lineales e invariantes, la respuesta en frecuencia de un filtro banda eliminada se puede obtener como la suma de la respuesta paso bajo y la respuesta paso alto (hay que tener en cuenta que ambas respuestas no deben estar solapadas para que el filtro elimine la banda que interese suprimir), ello se implementar mediante un sumador analgico, hecho habitualmente con un amplificador operacional.

2.1.4.3.5 Filtro Multibanda

Este presenta varios rangos de frecuencias en los cuales hay un comportamiento diferente.

2.1.4.4 Tipos de Filtros Activos y Pasivos

2.1.4.4.1 Filtro Pasivo

Es el constituido nicamente por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias.

2.1.4.4.2 Filtro Activo

Un filtro activo es un filtro electrnico analgico distinguido por el uso de uno o ms componentes activos (que proporcionan una cierta forma de amplificacin de energa), que lo diferencian de los filtros pasivos que solamente usan componentes pasivos. Tpicamente este elemento activo puede ser un tubo de vaco, un transistor o un amplificador operacional.

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Un filtro activo puede presentar ganancia en toda o parte de la seal de salida respecto a la seal de entrada. En su implementacin se combinan elementos activos y pasivos, siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales, que permite obtener resonancia y un elevado factor Q sin el empleo de bobinas.

2.1.4.5 Tipos de Filtros Analgicos o Digitales

Atendiendo a la naturaleza de las seales tratadas los filtros pueden ser

2.1.4.5.1 Filtro Analgico

Diseado para el tratamiento de seales analgicas. Con cualquiera de los parmetros anteriormente mencionados.

2.1.4.5.2 Filtro Digital

Los filtros digitales tienen como entrada una seal analgica o digital y a su salida tienen otra seal analgica o digital, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las caractersticas del filtro. El filtrado digital es parte del procesado de seal digital. Se le da la denominacin de digital ms por su funcionamiento interno que por su dependencia del tipo de seal a filtrar, as podramos llamar filtro digital tanto a un filtro que realiza el procesado de seales digitales como a otro que lo haga de seales analgicas. El filtrado digital consiste en la realizacin interna de un procesado de datos de entrada. El valor de la muestra de la entrada actual y algunas muestras anteriores (que previamente haban sido almacenadas) son multiplicadas por unos coeficientes definidos. Tambin podra tomar valores de la salida en instantes pasados y multiplicarlos por otros coeficientes. Finalmente todos los resultados de

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todas estas multiplicaciones son sumados, dando una salida para el instante actual. Esto implica que internamente tanto la salida como la entrada del filtro sern digitales, por lo que puede ser necesaria una conversin analgico-digital o digital-analgica para uso de filtros digitales en seales analgicas. Los filtros digitales se usan frecuentemente para tratamiento digital de la imagen o para tratamiento del sonido digital.

2.1.4.6 Parmetros del filtro

2.1.4.6.1 Frecuencia de corte

Este parmetro se define como la frecuencia, bien por arriba o bien por debajo de la cual el nivel de salida del filtro se reduce al valor de - 3 dB = 70,1% respecto al nivel de referencia de 0 dB = 100%.12

Un filtro pasa banda tiene dos frecuencias de corte y una frecuencia central, mientras que los filtros de paso alto y paso bajo tienen una sola frecuencia de corte y se calcula de la siguiente manera:

2.1.4.6.2 Frecuencia central

Este parmetro es propio de los filtros pasa banda y se define como la frecuencia para la que la funcin de transferencia del circuito es puramente real. Esta tambin recibe el nombre de frecuencia de resonancia, y hace referencia al circuito resonante, debido a que la frecuencia de la funcin excitadora es igual a la



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frecuencia natural del mismo. La frecuencia central es el eje geomtrico de la banda de paso. Para los filtros pasa banda, el modulo de la funcin de transferencia alcanza su mximo a la frecuencia central.

2.1.4.6.3 Ancho de Banda

Es la diferencia entre las frecuencias en las que la atenuacin al pasar a travs de un filtro se mantiene igual o inferior a 3 dB, comparada con la frecuencia central de pico (fc).13

2.1.4.6.4 Factor de calidad (Q)

Es el cociente entre la frecuencia central y el ancho de banda. El factor de calidad nos proporciona una medida de la anchura de la banda de paso, medida que es independiente de la ubicacin de la banda dentro del eje de frecuencias. Tambin describe la forma del diagrama de ganancia de forma independiente de la frecuencia. Se define mediante la ecuacin:

Donde: Fo = frecuencia de resonancia F = ancho de banda (f2-f1):



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2.1.4.6.5 Orden

El orden de un filtro describe el grado de aceptacin o rechazo de frecuencias por arriba o por debajo, de la respectiva frecuencia de corte. Un filtro de primer orden, cuya frecuencia de corte sea igual a (F), presentar una atenuacin de 6 dB en la primera octava (2F), 12 dB en la segunda octava (4F), 18 dB en la tercera octava (8F) y as sucesivamente.14 Uno de segundo orden tendra el doble de pendiente (representado en escala logartmica). Esto se relaciona con los polos y ceros: los polos hacen que la pendiente suba con 20 dB y los ceros que baje, de esta forma los polos y ceros pueden compensar su efecto.

2.1.5 El Preamplificador

Un preamplificador es un tipo de amplificador electrnico utilizado en la cadena de audio, durante la reproduccin del sonido. Como en todo amplificador, la finalidad de una preamplificador es aumentar el nivel de la seal y, para ello, acta sobre la tensin de la seal de entrada. Cuando las seales salgan del preamplificador, habrn alcanzado el nivel de lnea, estandarizado en los 0dB. El preamplificador se encarga de nivelar la tensin elctrica que le llega de las distintas fuentes de audio (cada equipo tiene una tensin de salida diferentes), para luego, una vez igualadas, enviarlas, como seal de entrada, a otro equipo (generalmente, una etapa de potencia). La relacin entre nivel de salida y de entrada es la ganancia. As, la ganancia, expresada en decibelios, indica el grado de amplificacin de una seal. Algunos equipos preamplificadores poseen controles que les permiten, adems de regular la tensin de salida, regular el tono, el balance, etc. Adems de



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reforzar la sonoridad con bajo volumen (loudness). A pesar de lo dicho, normalmente, los equipos para audifilos no incluyen ninguno de estos controles, pues pueden distorsionar la seal original. Estas actuaciones se pueden realizar, sin introducir prdidas en la seal durante el proceso, ms adelante: en la etapa de potencia, en la mesa de mezclas o, incluso, en el altavoz.

2.1.6 Ergonoma

La ergonoma es la definicin de comodidad, eficiencia, productividad, adecuacin de un objeto desde la perspectiva del que lo usa.

La lgica que utiliza la ergonoma se basa en el axioma de que las personas son ms importantes que los objetos o que los procesos productivos; por tanto, en aquellos casos en los que se plantee cualquier tipo de conflicto de intereses entre personas y cosas, deben prevalecer los de las personas.

Los principios ergonmicos se fundamentan en que el diseo de productos o de trabajos debe enfocarse a partir del conocimiento de cules son las capacidades y habilidades, as como las limitaciones de las personas (consideradas como usuarios o trabajadores, respectivamente), diseando los elementos que stos utilizan teniendo en cuenta estas caractersticas.

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3. METODOLOGA

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN

El enfoque de esta investigacin es Emprico-analtico puesto que se desarrollan herramientas a partir de un conocimiento, con el fin de conocer sus principios y poder implementar nuevas tecnologas para el desarrollo del proyecto.

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN USB / SUB-LNEA DE FACULTAD / CAMPO TEMTICO DEL PROGRAMA

La lnea de investigacin de la USB es tecnologas actuales y sociedad, ya que el proyecto profundiza en conceptos de investigacin y desarrollo tecnolgico; que enmarcan la sub-lnea de facultad en procesamiento de seales digitales y/o anlogas, debido a la comprensin e implementacin de un dispositivo de amplificacin y filtrado para la optimizacin de una seal generada por el transductor; el campo temtico de programa es el diseo de sistemas de sonido, por la comprensin de los conceptos necesarios para llevar acabo el propsito de esta investigacin.

3.3 TCNICAS DE RECOLECCIN DE INFORMACIN

Para la realizacin de este proyecto se plantea una encuesta dirigida a profesionales de la salud familiarizados con el proceso de auscultacin y de esta manera obtener informacin acerca de la ergonoma y presentacin del estetoscopio.

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3.4 POBLACION Y MUESTRA

La encuesta planteada en el punto anterior esta dirigida a profesionales en medicina, que tengan por lo menos 3 aos de experiencia en el campo laboral (Incluida la practica rural) y que actualmente estn desempeando su labor.

3.5 HIPTESIS

El producto de esta investigacin (Estetoscopio Electrnico) consistente en un transductor piezoelctrico, una etapa de filtrado y una etapa de amplificacin, todo complementado por un software de adquisicin de datos (Procesamiento de Audio Digital) cubrir las necesidades del personal mdico y especialmente de aquellos con conocimientos especficos en la auscultacin, convirtindose en una herramienta de ltima generacin y con una potencial demanda en el mercado de instrumentacin mdica.

3.6 VARIABLES

3.6.1 Variables Independientes

Calidad de los elementos electrnicos utilizados. Disponibilidad de elementos electrnicos solicitados.

3.6.2 Variables Dependientes

Versatilidad del estetoscopio electrnico. Calidad en la audicin luego de los procesos.

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4. DESARROLLO INGENIERIL

4.1 TRANSDUCCION

La etapa de transduccin del estetoscopio se planteo inicialmente como un micrfono piezoelctrico ya que este tipo de micrfonos poseen una carga elctrica interna que les permite funcionar sin la necesidad de fuentes externas (phantom power), sin embargo en la practica encontramos distintos problemas que no permiten una buena adaptacin con las dems etapas del circuito. El mas grande de estos es la muy baja sensibilidad, lo que lleva finalmente a una seal ms dbil en la que el ruido enmascara completamente la seal del micrfono. Otro problema es la impedancia de entrada muy baja (menor a 300), lo cual no permite un buen acople con la etapa de filtrado.

Por estas razones se empleo un micrfono electret con las siguientes caractersticas tcnicas15.

Respuesta en Frecuencia 20 Hz 15KHz Alimentacin Externa Estndar (DC) 4.5V

Impedancia de Salida 2.2K Sensibilidad -45dB/Pa Relacin S/N 56dB

La sensibilidad es de 45dB/Pa y entrega una seal de aproximadamente 35mV de amplitud, la impedancia de salida es alta, la respuesta en frecuencia cubre todo el

15 Tomadas del datasheet del microfono electret.

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rango de frecuencias necesarias (20Hz-500Hz). La nica desventaja del micrfono electret es que necesita alimentacin externa, mximo de 12V.

Ilustracin 6 Respuesta en frecuencia de un micrfono electret

Ilustracin 7 Diagrama tpico de conexin del micrfono electret

4.2 FILTRADO Y PREAMPLIFICACION

Para la etapa de filtrado y pre amplificacin de la seal inicialmente se pens en utilizar amplificadores de instrumentacin ya que en la etapa investigativa del proyecto de grado se busc la mejor calidad posible. Este tipo de amplificadores ofrecen el menor nivel de ruido con un buen nivel de ganancia y son muy estables en su funcionamiento, sin embargo su implementacin conlleva un costo por fuera del presupuesto planteado para nuestro proyecto; en cambio, las configuraciones tradicionales para filtros como Sallen Key igualmente con amplificadores operacionales se encuentran en muchos circuitos electrnicos de toda clase, son

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baratos y su calidad igualmente es buena, su impedancia de entrada es alta lo que ayuda a limitar la corriente usada y su impedancia de salida es baja ideal para acoplarse a otras cargas. Pueden usarse como elementos activos que permitan el paso de las frecuencias deseadas y desechen o atenen frecuencias ajenas al proceso de auscultacin.

Aunque en el desarrollo del proyecto estaba previsto implementar 3 diferentes tipos de filtros para cada una de las auscultaciones en la practica la alimentacin de cada circuito y un amplificador de audio por cada uno de estos se converta en un problema de espacio, incomodidad para el usuario por el peso agregado y adems converta al estetoscopio en un elemento no tan portable ya que se requera de alimentacin externa en cambio de las bateras lo cual adems induce la posibilidad de generar ruido A.C.. La solucin ms conveniente a este problema fue crear una banda de paso entre 20Hz y 500Hz (Rango Total usado por un estetoscopio para auscultacin cardiaca, pulmonar o gastro-intestinal) mediante el uso de un filtro activo pasa altos con frecuencia de corte en 20Hz, seguido en cadena por un filtro pasa bajos con frecuencia de corte en 500Hz. Claro esta que estos tres filtros planteados como uno de los objetivos especficos fueron implementados mediante plug-ins en el software de grabacin del siguiente capitulo.

Los filtros activos son circuitos que utilizan componentes activos como transistores o amplificadores operacionales que necesitan de una fuente de voltaje en combinacin con algunas resistencias y condensadores para proveer una respuesta similar a los circuitos pasivos RLC.

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Ilustracin 8 Filtro pasa bajos pasivo de segundo orden

Ilustracin 9 Filtro pasa bajos activo de segundo orden

Para obtener una respuesta de pasa banda se combina la respuesta de un circuito pasa bajos con la respuesta de un circuito pasa altos como lo vemos en el siguiente diagrama en bloque:

Ilustracin 10 Diagrama en bloque de un filtro pasa banda

La respuesta de un filtro pasa banda siempre estar dada por una frecuencia central (FC) y unas frecuencias de corte (FL y FH) situadas por debajo de la frecuencia central en 3dB. La frecuencia central se puede hallar mediante la siguiente ecuacin de promedio geomtrico:

FC=100 Hz

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Otro parmetro utilizado para describir el comportamiento del filtro es el Q o factor de calidad, equivalente al orden del filtro y establece que tan selectivo es el filtro en la banda de paso.

o

Q = 100Hz/(500Hz-20Hz) Q = 0.208

Actualmente existen distintas tecnologas para disear filtros activos, las ms usadas son la topologa Sallen Key, retroalimentacin mltiple, bicuadrtico, entre otras. La topologa de Sallen Key es de las ms usadas ya que ofrece la mayor simplicidad en los diseos y puede crear un filtro pasa bajo o pasa alto con cada de 12bB/oct (Segundo orden) usando dos resistencias y dos capacitores mas un amplificador operacional. Este tipo de topologa es comn para los filtros en audio (20Hz-20KHz).

4.2.1 Diseo del filtro pasa altos de segundo orden Butterworth

Ilustracin 11 Topologa Sallen-Key de un filtro pasa altos de segundo orden

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Se escogi el filtro de Butterworth porque ofrece una respuesta plana en la banda de paso, es decir que no tiene rizado o ripple que puede llegar a afectar la percepcin sonora despus del proceso de filtracin. Para disear el filtro nos basamos en la teora de diseo de Sallen-Key con un amplificador operacional y con ganancia unitaria ya que luego de la etapa de filtros viene una etapa de amplificacin que se encargara de la ganancia.

Ilustracin 12 Topologa Sallen-Key de un filtro pasa altos de ganancia unitaria

La funcin de transferencia original es:

Donde la ganancia del filtro se controla mediante las resistencias R3 y R4 de la siguiente manera:

Para una ganancia unitaria equivale a 1 dejando a R4 como un corto y a R3 como circuito abierto. Por simplicidad establecemos a los condensadores C1 y C2 con el mismo valor por lo que la funcin de transferencia queda reducida a:

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Que al ser comparada con la ecuacin de coeficientes:

Permite obtener las siguientes ecuaciones:

Ahora una vez establecido el valor de los condensadores que poseen el mismo valor C, se pueden calcular los valores de las resistencias para R1 y R2 mediante:

El condensador elegido es de 2.2F. Se revisan las tablas de coeficientes de Butterworth para un filtro de segundo orden (Ver Anexos).

Estos coeficientes son:

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a1=1.4142 y b1=1.0000

Ahora hallamos los valores de R1 y R2 para una frecuencia de corte de 20 Hz:

R1= 1/[(20)(2.2E-6)(1.4142)] R1=5.11K R2=1.4142/[4(20)(2.2E-6)(1)] R2=2.55K

En la prctica R1 es de 5.1K y R2 es de 2.5K

4.2.2 Diseo del filtro pasa bajos de segundo orden Butterworth

Ilustracin 13 Topologa Sallen-Key de un filtro pasa bajos de segundo orden

Para disear el filtro nos basamos en la teora de diseo de Sallen-Key con un amplificador operacional y con ganancia unitaria ya que segn la investigacin realizada la ganancia en esta etapa puede afectar el comportamiento del filtro.

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Ilustracin 14 Topologa Sallen-Key de un filtro pasa bajos de ganancia unitaria

La funcin de transferencia original es:

Donde la ganancia del filtro se controla mediante las resistencias R3 y R4 de la siguiente manera:

Para una ganancia unitaria equivale a 1 dejando a R4 como un corto y a R3 como circuito abierto. La funcin de transferencia queda reducida a:

Que al ser comparada con la ecuacin de coeficientes:

50

Permite obtener las siguientes ecuaciones:

Ahora una vez establecidos los valores de los condensadores C1 y C2, se pueden calcular los valores de las resistencias para R1 y R2 mediante:

Donde en orden para obtener valores vlidos de la raz se debe satisfacer la siguiente condicin:

Segn la tabla de coeficientes de Butterworth para un filtro de segundo orden los coeficientes son:

a1=1.4142 y b1=1.0000

Si tomamos a C1 como 22nF entonces:

C2 debe ser (22E-9)*[4(1)/1.4142^2] C2 debe ser 44nF Designamos a C2 como 47nF

51

Ahora hallamos los valores de R1 y R2 para una frecuencia de corte de 500 Hz:

R1=7.64K

R2=12.81K

En la prctica R1 es de 7.6K y R2 es de 12.8K.

4.2.3 Diseo de un amplificador de audfonos

Esta ltima etapa tiene como objetivo elevar el nivel de la seal para que pueda ser escuchado mediante audfonos en cualquiera de las 4 salidas y al mismo tiempo. El LM386 es un amplificador de potencia diseado para ser usado en aplicaciones de bajo voltaje como es este caso. Internamente su ganancia es de 20, sin embargo al aadirse una resistencia y un condensador entre los pines 1 y 8 la ganancia puede incrementarse hasta un mximo de 200.

La configuracin tpica del LM 386 para una ganancia de 200 es la siguiente16:

16 Tomado del Datasheet del amplificador operacional LM386 de National Semiconductors

52

Ilustracin 15 Configuracin Tpica del LM386 para ganancia mxima de 200

La seal entra por el pin 3 y es controlada su amplitud mediante un potencimetro logartmico de 10K. Mediante el condensador de 10F entre los pines 1 y 8 se consigue ajustar la ganancia mxima de 200 o un equivalente de 46dB. En el pin 6 recibe la alimentacin por parte de las pilas cuadradas que tambin alimentan a los amplificadores operacionales encargados de los filtros. El condensador bypass que va al pin 7 solo se debe quitar cuando existe una resistencia entre el pin 1 y 8 para usar ganancias ajustadas entre 20 y 200.

4.3 Montaje

El dispositivo final se conecto siguiendo el esquema que se muestra a continuacin:

Ilustracin

Ilustracin

Una vez la baquela fue fabricada se adaptaron la entrada, 4 salidas y control de ganancia en una caja apropiada

ETAPAS DE PROCESAMIENTO

TRANSDUCCION

MICROFONO ELECTRET

FILTRADO

PASABANDA

FILTRO PASA

BAJOS

FILTRO PASA ALTOS

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Ilustracin 16 Esquema de ensamblaje

Ilustracin 17 Etapas de procesamiento

la baquela fue fabricada se adaptaron la entrada, 4 salidas y control de ganancia en una caja apropiada para su tamao.


FILTRADO

PASABANDA

FILTRO PASA ALTOS

AMPLIFICACION

SALIDA 1

SALIDA 2

SALIDA 3

SALIDA

la baquela fue fabricada se adaptaron la entrada, 4 salidas y control de


SALIDA 4

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Ilustracin 18 Ensamblaje de la baquela en la caja

El microfono electret fue montado sobre la membrana de una capsula de un estetoscopio acstico para mejorar la captura de audio.

.

Ilustracin 19 Dispositivo transductor

55

Ilustracin 20 Entrada de la seal y switch on/off

Ilustracin 21 4 Salidas de lnea para audfono o computador

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4.4 AUDACITY

Ilustracin 22 Logotipo Actual de Audacity

Para el desarrollo de este proyecto se contemplo la programacin de un software para complementar el estetoscopio y ofrecer una herramienta de grabacin muy til para los profesionales de la salud. Sin embargo este proceso tomara mucho tiempo, recursos como compiladores de distintos lenguajes y para diferentes propsitos (audio, grficos, interfaces, compatibilidad, etc.), as como asesoras de profesionales en sistemas para ser abordado desde cero. Por estas razones se decidi trabajar con un programa de cdigo abierto y desarrollar un plugin de filtrado para mejorar la relacin seal ruido o simplemente acentuar las frecuencias propias del tipo de rgano/s que se desean auscultar. Audacity es un software multiplataforma gratis de libre distribucin que permite grabar y editar audios con una excelente calidad competente con los parmetros de la industria actual.

4.4.1 Programacin del plug-in

Para este proyecto es especialmente til una herramienta de filtrado que permita escuchar en mayor medida el contenido frecuencial propio de cada rgano o tipo de auscultacin. Tomando en cuenta nuestro marco de referencia sabemos las frecuencias a tratar:

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Auscultacin de tipo cardiovascular (20 Hz - 130 Hz). Auscultacin de tipo pulmonar (20 Hz 500 Hz). Auscultacin de tipo intestinal (80 Hz 300 Hz).

En el lenguaje nyquist se pueden programar plug-ins con valores por defecto en el dialogo de parmetros. Aprovechando esto creamos 3 plug-in cargados con los valores ptimos para cada tipo de auscultacin (Frecuencia central, Ancho de banda, ganancia y nivel de normalizacin).

;nyquist plug-in ;version 1

Lineas necesarias para que Audacity pueda identificar el archivo como un plug-in y para que sea eventualmente compatible con versiones posteriores de Nyquist.

;type process

Clasifica el plug-in segn su funcin (generador, analizador, procesador). Como el plug-in es un ecualizador, su clasificacin es como procesador.

;name "Plug-in de ecualizacin para auscultacin cardiaca" (Para la auscultacin cardiaca. ;name "Plug-in de ecualizacin para auscultacin pulmonar" (Para la auscultacin pulmonar. ;name "Plug-in de ecualizacin para auscultacin intestinal" (Para la auscultacin intestinal.

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Esta lnea nos permite poner un nombre al plug-in.

;action "Aplicando la ecualizacin"

Es el mensaje que aparece cuando se pide procesar el audio.

;info "Usa este plug-in para auscultacion cardiaca\nPor Jorge Hernandez y Daniel Gutierrez." ;info "Usa este plug-in para auscultacion pulmonar\nPor Jorge Hernandez y Daniel Gutierrez." ;info "Usa este plug-in para auscultacion intestinal\nPor Jorge Hernandez y Daniel Gutierrez."

Se puede colocar una frase de ayuda o descripcin para el usuario. Cada una dependiendo el tipo de auscultacin.

;control f "Frecuencia Central" real "Hz" 51.0 20.0 130.0 (Para auscultacin cardiaca)

;control f "Frecuencia Central" real "Hz" 100.0 20.0 500.0 (Para auscultacin pulmonar)

;control f "Frecuencia Central" real "Hz" 154.0 80.0 300.0 (Para auscultacin intestinal)

Es necesario crear variables de control como la frecuencia central. La variable f esta definida para controlar la frecuencia y puede tomar cualquier valor como un

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numero real. Para la auscultacin cardiaca que tiene un rango de frecuencias entre 20 y 130 Hz tomamos 51 Hz como frecuencia central, luego la frecuencia mnima de corte en 20 Hz y por ultimo la frecuencia mxima de corte en 130 Hz. Para la auscultacin pulmonar que tiene un rango de frecuencias entre 20 y 500 Hz tomamos 100 Hz como frecuencia central, luego la frecuencia mnima de corte en 20 Hz y por ultimo la frecuencia mxima de corte en 500 Hz. Para la auscultacin intestinal que tiene un rango de frecuencias entre 80 y 300 Hz tomamos 154 Hz como frecuencia central, luego la frecuencia mnima de corte en 80 Hz y por ultimo la frecuencia mxima de corte en 300 Hz.

;control width "Ancho de banda" real "octavas" 2.7 0.1 3.0 (Para auscultacin cardiaca)

;control width "Ancho de banda" real "octavas" 4.64 0.1 5.0 (Para auscultacin pulmonar)

;control width "Ancho de banda" real "octavas" 1.9 0.1 2.0 (Para auscultacin intestinal)

Tambin un control del ancho de banda o de la banda de paso medida en octavas. La variable width esta predeterminada para establecer anchos de banda en octavas y puede tomar cualquier valor real. Para determinar el ancho de banda en octavas usamos la siguiente ecuacin:

El nmero de octavas entre 2 frecuencias dadas para la auscultacin cardiaca es:

60

Este es el ancho de banda del filtro, igualmente el mnimo de este ancho de banda puede llegar a ser mnimo de 0.1 octavas y mximo de 3, permitiendo al usuario ser mas o menos selectivo en la discriminacin de frecuencias.

El nmero de octavas entre 2 frecuencias dadas para la auscultacin pulmonar es:

Este es el ancho de banda del filtro, igualmente el mnimo de este ancho de banda puede llegar a ser mnimo de 0.1 octavas y mximo de 5, dando flexibilidad en la selectividad frecuencial.

El nmero de octavas entre 2 frecuencias dadas para la auscultacin intestinal es:

61

Este es el ancho de banda del filtro, igualmente el mnimo de este ancho de banda puede llegar a ser mnimo de 0.1 octavas y mximo de 2, permitiendo al usuario ser mas o menos selectivo en la discriminacin de frecuencias.

;control gain "Ganancia" real "db" 32.0 1.0 72.0

El control de ganancia para amplificar o atenuar cierto rango de frecuencias. La variable gain esta predeterminada para controlar la amplificacin o la atenuacin del filtro (Funciona como un pasabanda o un rechazabanda segn esta configuracin, sin embargo para ayudar a limpiar los audios del estetoscopio la idea es usarlo como un pasabanda en el rango de frecuencias propios de cada auscultacin). Segn pruebas realizadas al estetoscopio y la relacin seal ruido establecimos conveniente usar un nivel de amplificacin mnimo de 32dB. Sin embargo pusimos como lmite un nivel de amplificacin de 72 dB.

;control apply "Normalizacion " int "0=Desactivado 1=Activado" 1 0 1

Un control para activar o desactivar la funcin de normalizacin. Funciona como un switch entre activo y bypass. Este siempre debera estar activo para el uso con el estetoscopio y de esta manera tener siempre un buen nivel de seal sin distorsin. La variable puede tomar un valor entero nicamente como 0 o 1; 0 para colocar el proceso en bypass y 1 para activarlo.

;control norm-level "% de Normalizacion" real "lineal" 0.89 0.0 1.0

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Un control para establecer el nivel de normalizacin de manera lineal con porcentajes. La variable asume valores reales desde 0 a 1 para representar este porcentaje de normalizacin. Por defecto est en 0.89 equivalente a una normalizacin a -1dB.

; normalize function (defun normalize (signal norm-level) (setf x (if (not (arrayp signal))

Se define normalize como para la funcin de normalizacin establecida en el lenguaje nyquist como signal norm-level. Se crea un nuevo audio en la variable x luego de aplicar el proceso; en caso de que el proceso se encuentra en bypass tiene la instruccin de copiar la seal original.

; mono audio (peak signal ny:all) ; stereo audio (max (peak (aref signal 0) ny:all) (peak (aref signal 1) ny:all)))) (scale (/ norm-level x) signal))

Si la seal es monofnica entonces busca el pico ms alto en toda su extensin para tomar el punto de referencia al cual se va a normalizar. Cuando la seal sea estereofnica se le pide que calcule el nivel mximo luego de referenciar la seal 0 (Canal izquierdo) y seal 1 (Canal derecho), esto permite mantener la dinmica original entre ambos canales, si tomara una referencia por canal lo mas seguro es que esta relacin se afectara. Una vez se ha desarrollado el proceso adecuado segn la seal sea estreo o mono se hace el escalamiento para la seal x, segn el valor asignado por el usuario en la variable de control norm-level en el dialogo de parmetros.

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; applying EQ (if (= apply 0) (eq-band s f gain width)

(normalize (eq-band s f gain width) norm-level))

Finalmente se carga la ecualizacin de un filtro pasa banda/rechaza banda con los parmetros anteriormente establecidos; s es la variable que almacena el nuevo audio ecualizado, f es la frecuencia central, gain es el factor de ganancia y width es el ancho de la banda en octavas. La expresin del if nos permite mediante la variable de control apply si vale 0, entonces solo realiza la ecualizacin, en caso contrario normaliza la seal despus de haberla ecualizado.

4.5 ERGONOMIA

La Ergonoma es una ciencia que estudia las caractersticas, necesidades, capacidades y habilidades de los seres humanos, analizando aquellos aspectos que afectan al entorno artificial construido por el hombre relacionado directamente con los actos y gestos involucrados en toda actividad de ste.

La Ergonomics Society afirma que la Ergonoma es un enfoque que pone las necesidades y capacidades humanas como el foco del diseo de sistemas tecnolgicos. Su propsito es asegurar que los humanos y la tecnologa trabajen en completa armona, manteniendo los equipos y las tareas en acuerdo con las caractersticas humanas.

En todas las aplicaciones su objetivo es comn: se trata de adaptar los productos, las tareas, las herramientas, los espacios y el entorno en general, a la capacidad y

64

necesidades de las personas, de manera que mejore la eficiencia, seguridad y bienestar de los consumidores, usuarios o trabajadores.

Para el diseo del estetoscopio se aplico el concepto de ergonoma en partes como la capsula, la cual se le adapto un cable de largo alcance para facilitar cada una de las auscultaciones (Cardiaca, Respiratoria, Gastrointestinal) ya que por ejemplo en el examen respiratorio es necesario ubicar la capsula en la espalda del paciente; en este caso el cable alcanza una longitud 3 veces mayor que una capsula de un estetoscopio convencional (50 cm). En el caso de los audfonos al ser comparados con las olivas de un estetoscopio tradicional, los audfonos llegan a ser mucho ms cmodos segn las palabras textuales de la Doctora Liliana Nez al responder la pregunta Que ventajas encuentra en el estetoscopio electrnico?La Comodidad de poder conectar unos audfonos ya que el Fonendoscopio vienen unos que dependiendo de la marca son incmodos y aprietan Directamente al odo

17

17 Tomada de la encuesta. Ver Anexos.

65

5. PRESENTACION Y ANALISIS DE RESULTADOS

Medicin de ganancia del amplificador

De acuerdo a lo expuesto en el desarrollo ingenieril el estetoscopio consta de dos etapas que son el filtrado y la posterior amplificacin de la seal para los audfonos. La primera etapa fue diseada con una ganancia unitaria mientras que la segunda etapa fue ajustada para entregar una ganancia mxima de 200.

Se midi la ganancia del amplificador comparando el voltaje de salida sobre el voltaje de entrada (Seal sinusoidal a 1 KHz).

G = Vout/Vin G = 11.7V/60mV G = 195

Para calcular la ganancia en dB usamos la ecuacin:

Ganancia (dB) = 45.8 dB

En el desarrollo ingenieril la ganancia estaba planteada en 200 as que la medicin esta dentro de lo proyectado ya que el margen de error es muy poco (2.5%).

66

Respuesta en frecuencia del filtro pasa banda

Para la medicin en laboratorio se utiliz un osciloscopio para medir el voltaje a la salida del filtro y un generador de frecuencias en la entrada con una seal sinusoidal de 60mV de amplitud variando en frecuencia por tercio de octava. Luego el voltaje se expresa en dBu como referencia estndar. dBu esta referenciado a un voltaje de 0.775 V. Para que la grafica de respuesta en frecuencia se aprecie de una mejor manera se establece un voltaje de referencia de 58mV como punto mximo de respuesta por el filtro. Todos estos valores se calculan mediante la siguiente ecuacin:

Banda de frecuencia (Hz)

Voltaje (mV) Voltaje (dBu) Voltaje de referencia (dB)

10 18 -32.68 -10.16 20 40 -25.74 -3.2 25 50 -23.81 -1.28

31.5 47 -24.34 -1.82 40 47 -24.34 -1.82 50 50 -23.81 -1.28 63 53 -23.3 -0.78 80 57 -22.67 -0.151

100 56 -22.82 -0.3

67

125 57 -22.67 -0.151

160 55 -22.98 -0.461 200 53 -23.3 -0.78 250 58 -22.52 0 315 54 -23.14 -0.62 400 46 -24.53 -2 500 43 -25.12 -2.59 630 37 -26.42 -3.9 800 35 -26.9 -4.38

1000 31 -27.96 -5.44 1250 24 -30.18 -7.66 1600 17 -33.18 -10.65 2000 14 -34.86 -12.34 2500 13 -35.51 -12.98 3100 14 -34.86 -12.34 4000 15 -34.26 -11.74 5000 9 -38.7 -16.1 6000 9 -38.7 -16.1 8000 8 -39.72 -17.2

10000 7 -40.88 -18.36 12500 7 -40.88 -18.36 16000 10 -37.79 -15.2 20000 9 -38.7 -16.1

Tabla 1 Respuesta en Frecuencia del filtro pasa banda

Ilustracin 23

Relacin seal ruido

Para la medicin en los laboratorios fue necesario encontrar un ambiente similar a las condiciones de trabajo donde se empleara un estetoscopio (Consultorio medico). Primero se midi el voltaje de salida sin una estimulacin sobre la capsula; se registro lo que se conoce como ruido se realizo la medicin llevandoresultados entre si.

Voltaje 1 (Ruido base) = 1.2Voltaje 2 (Auscultacion) = 15.7

0

2

4

68

10

12

14

16

18

20

Nivel en dB

Respuesta en Frecuencia del Filtro Pasa

68

23 Respuesta en Frecuencia del filtro pasa banda

Para la medicin en los laboratorios fue necesario encontrar un ambiente similar a las condiciones de trabajo donde se empleara un estetoscopio (Consultorio

el voltaje de salida sin una estimulacin sonora directa se registro lo que se conoce como ruido base (Electrico)

llevando a cabo una auscultacin cardiaca y se comparo los

2 VRMS 15.7 VRMS

Banda de Frecuencia (Hz)

Respues

Diseno Estetoscopio Electronico Gutierrez 2008

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