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Aparelhos auditivos digitais (MA048)

As avanços das tecnologias que utilizam DSPs (Processadores Digitais de Sinais) trazem um desafio para os projetistas de equipamentos de ajuda auditiva (hearing aids). A Texas Iunstruments (www.ti.com) apresenta diversas sugestões para soluções nessas áreas empregando componentes já existentes na sua linha de produtos. Veja neste artigo quais são as soluções para este campo, sugeridos pela própria Texas Instruments. (2006)

Os principais desafios que têm de enfrentar os projetistas de equipamentos de ajuda auditiva estão nas suas reduzidas dimensões (devem caber dentro do ouvido), no baixo consumo e na fidelidade de reprodução exigida.

Os dispositivos devem consumir menos de 1 mA, ser alimentados com 1 V apenas e utilizar um chip com menos de 10 mm2 de área, o que significa o empilhamento de dispositivos.

Conforme mostra a figura 1, o equipamento de ajuda auditiva típico consiste num amplificador com características não lineares e um ganho dependente da freqüência.

 

Figura 1
Figura 1

 

As soluções analógicas podem ser baseadas em produtos de linha, o que significa um custo relativamente baixo, no entanto, à medida que podemos contar com circuitos digitais com capacidade de processamento cada vez maior e um custo cada vez menor, a possibilidade de usá-los se torna cada vez mais interessante.

E, evidentemente, temos um equipamento de muito melhor desempenho. Em lugar de um simples amplificador com características ajustadas, pode-se aplicar estratégias muito mais complexas de modo a se obter muito melhor qualidade de som.

 

Os Problemas Auditivos

Os problemas que se manifestam nos pacientes que precisam de equipamentos de ajuda auditiva podem ser divididos em duas categorias: perda condutiva de audição ou perda senso-neural auditiva (SNHL).

Uma perda condutiva de audição ocorre quando a transdução do som através do ouvido externo do paciente ou do ouvido médio é anormal. A perda senso-neural ocorre quando tanto as células sensoriais da cóclea como os mecanismos neurais mais acima do sistema auditivo falham.

Para as pessoas que tenham perda auditiva condutiva, o som não é transmitido através do ouvido externo e médio. Como o som é atenuado, a amplificação do som total é tudo que se requer para se trazer de volta a capacidade de audição da pessoa.

Nenhum processamento especial do sinal é necessário e com isso os equipamentos analógicos tradicionais de ajuda auditiva trabalham bem.

Infelizmente, apenas 5% dos pacientes que precisam de ajuda auditiva se enquadram nessa categoria de problemas.

Para o caso da SNHL, as perdas principais são associadas à idade, assim como problemas causados por ruídos em excesso, drogas que afetam o sistema auditivo e outros. A maioria dos problemas de SNHL aparece causado por disfunções cloqueares.

Acreditas-se que o SNHL seja causado por danos nas células ciliares internas, células ciliares externas ou em ambas. No entanto, o que se sabe é que esse problema afeta os audiogramas, levando a pessoas com curvas de respostas diferentes e portanto à necessidade de compensação ou correção do problema com equalizações diferentes.

Na figura 2 temos duas curvas que mostram como uma pessoa normal percebe os sons e como uma pessoa com SNHL percebe os sons de diferentes freqüências.

 

Figura 2
Figura 2

 

As pessoas afetadas têm então o sentido de audição afetado com uma compressão da faixa normal, uma perda de resolução além de outros problemas.

 

O Projeto Digital

Nas soluções analógicas tradicionais, os aparelhos de ajuda auditiva consistem em pequenos amplificadores instalados em moldes que se encaixam nos ouvidos, sendo alimentados por baterias de zinco-ar. Os transdutores são microfones comuns e existe também um alto-falante.

A maioria deles possui recursos relativamente simples de compressão da faixa dinâmica, além de filtros que podem ser usados para atenuar o reforçar determinadas faixas de freqüências de forma mais eficiente.

O tipo de resposta desses dispositivos podem ser ajustado em uma certa faixa de valores pelo próprio médico ou audiologista.

No caso dos equipamentos digitais, normalmente os tipos existentes no mercado utilizam ASICs com a possibilidade de se programar coeficientes. Esses ASICs são dotados de conjuntos de algoritmos e diversas faixas de freqüências de uma forma que não pode ser conseguida pelos equipamentos analógicos comuns.

Um dispositivo típico que usa essa tecnologia pode conter de 2 a 14 bandas de freqüências com freqüências de cross-over ajustáveis, um ou dois microfones para audição direcional, redução de ruído de fundo, controle automático de ganho (CAG ou AGC), reforço para a faixa de voz, redução de realimentação e proteção contra sons muito altos.

Evidentemente, o processamento para se obter tudo isso é muito maior do que num equipamento analógico comum. Dispositivos digitais complexos são necessários nesse caso.

 

Um Exemplo de Projeto Usando DSP

No entanto, as soluções que fazem uso de DSPs podem ser muito mais interessantes do que as que utilizam ASICs. Essas soluções podem permitir a expansão dos recursos controlados por software, incluindo recursos como: adaptação de freqüência, redução de feedback, redução de ruído, processamento binaural, filtragem, redução de reverberação e até mesmo proporcionar entrada direta de sinais de um telefone digital ou outra fonte digital de sinais, TV e outros dispositivos de áudio.

Além disso, um DSP programável também significa que os algoritmos e recursos podem ser customizados ou modificados sem a necessidade de se trocar o hardware.

Na figura 3 temos um diagrama de blocos para um aparelho desse tipo baseado em DSP.

 

Figura 3
Figura 3

 

Um dispositivo típico desse tipo consiste basicamente em três pastilhas empilhadas. Uma delas é a EEPROM ou memória não volátil. O segundo é um dispositivo digital e o terceiro um dispositivo analógico.

Com os recentes progressos na tecnologia de interação é possível colocar esses três dispositivos em dois ou mesmo em uma pastilha.

Dada a faixa de operação das baterias usadas, de 1,35 V a 0,9 V, esses dispositivos são projetados para operar com apenas 0,9 V.

Algumas implementações fazem uso de gerenciadores de consumo para monitorar a tensão da bateria e alertar o usuário quando a bateria está fraca e graças às funções shutdown é possível praticamente cortar o consumo quando a bateria está fraca.

O dispositivo analógico normalmente inclui um conversor analógico-digital (ADC) do tipo sigma-delta, um pré-amplificador para microfone com compressão de entrada e limitação, decodificador de dados com controle remoto, oscilador de clock e regulador de tensão.

O conversor A/D sigma-delta normalmente tem uma faixa de freqüências de 20 kHz com 16 bits de resolução (14 bits - linear). O dispositivo digital inclui o DSP, funções lógicas de suporte, interface de programação e a etapa de saída.

A etapa de saída é normalmente toda digital, utilizando uma saída Classe D modulada em largura de pulso (PWM). Esses amplificadores usam a própria impedância do alto-falante para realizar a conversão analógico para digital.

Nos aparelhos analógicos o consumo médio é de 0,7 a 1 mA enquanto que nos digitais esse consumo é de 0,5 a 0,7 mA. Utiliza-se uma bateria zonco-ar de 1,35 V de 30 a 65 mA com uma corrente de auto-descarga de 50 uA.

 

Circuito Prático

Soluções prática para um projeto desse tipo podem ser obtida com o Codec de áudio de micropotência AIC111. O circuito para essa aplicação é dado na figura 4.

A primeira solução utiliza um DSP da série TMS320. A segunda solução, mostrada na figura 5 faz uso de um microprocessador MSP430.

 

Figura 4
Figura 4

 

Figura 5
Figura 5

 

 

Conclusão

Soluções em equipamentos médicos que fazem uso de novas tecnologias, principalmente a de uso de DSPs e microprocessadores além de levarem a produtos mais eficientes também consistem em soluções econômicas que devem ser analisadas pelos projetistas.

Conforme vimos, o leitor pode contar com componentes de empresas como a Texas Instruments para o desenvolvimento de produtos avançados nesta área. Consulte a Texas (www.ti.com.br) em caso de dívidas ou se deseja obter mais informações.

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