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Sistema para la obtención de la señal electroglotográfica

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Academic year: 2020

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(1)Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información.. TRABAJO DE DIPLOMA “Sistema para la obtención de la señal electroglotográfica”. Autor: Meily Fernández Morales Tutor: Dr.CT. Carlos Ariel Ferrer Riesgo. Santa Clara 2010 “Año 52 de la Revolución".

(2) Centro de Estudios de Electrónica y Tecnologías de la Información.. TRABAJO DE DIPLOMA “Sistema para la obtención de la señal electroglotográfica” Autor: Meily Fernández Morales mfmorales@uclv.edu.cu. Tutor: Dr.CT. Carlos Ariel Ferrer Riesgo cferrer@uclv.edu.cu. Santa Clara 2010 "Año 52 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Biomédica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “La desesperanza se funda en lo que sabemos, que es nada y la esperanza se funda en lo que ignoramos, que es todo”.

(5) ii. DEDICATORIA. A la memoria de mi abuela Coralia, Mery y mi abuelo ORESTES A mis hermanos Beatriz y Enmanuel A mi abuela Miriam A mis padres A mis sobrinos Damarys y David A mis demás familiares A mis amigos.

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A DIOS por estar siempre conmigo y darme fuerzas para seguir aún en las dificultades. A mi tutor Carlitos por ser tan especial, por soportarme, por enseñarme, muchas gracias. A mis amigos de universidad que los llevo en el alma: Lenier, Sheylan, Betty, Yoana y Alexi, gracias por estar siempre conmigo. A mi abuelo Orestes que aunque no esté presente lo llevo siempre en mi corazón, muchas gracias por su amor, su dedicación, por enseñarme a vivir y por guiarme hacia la persona que soy hoy. TE AMO. A mi abuela Miriam por todo el amor que ha sabido darme, por su comprensión y su apoyo. A mi mamá y a ñoño por ayudarme a convertirme en la persona que soy, por su amor y su ternura. A Niobe y Claritza por toda la confianza y amor que han depositado en mí. A mi papá y a Maya por su cariño y apoyo. A mi tío Osmany y a Milagros por su amor, su ayuda y sus consejos. A mi prima Yinet por su amor y su ayuda por ser la mejor prima y amiga del mundo. A mi amiga Annaliet, a mi primo Karel, a Betsy, y a Jose. A mis primos Osley y Odalys, los quiero mucho. A mis amigas del aula Beatriz Peón, Yadianys, Yaimé, Idileisy y Lyanett gracias por la ayuda que me dieron y por sus consejos a lo largo de estos cinco años. A mis compañeros de aula, Ernesto, Roberto J, Roberto C, Aramis, Osmany, Jenkly, Addier, Denis, Aquino a todos lo que me ayudaron muchas gracias por su amistad..

(7) iv A mis profesores, gracias por ayudarme a ser la persona que soy muchas gracias por ayudarme a forjar mi futuro. En especial quiero agradecer a Eduardo, Diana, Arturo, Taboada, Sergio, Mendoza y Falcón por ayuda y opiniones que ayudaron a la confección de este trabajo. A mis familiares, a todos muchas gracias. A todas las personas que han estado a mi lado durante todo este tiempo, a los que están todavía y a los que ya no están, gracias, mil gracias por todo..

(8) v. TAREAS TÉCNICAS. Revisión bibliográfica acerca del tema. Análisis de alternativas existentes. Diseño de las configuraciones circuitales propuestas. Simulación y montaje del sistema propuesto. Evaluación de los resultados obtenidos. Realización del informe.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(9) vi. RESUMEN. La señal electroglotográfica resulta útil en el estudio de alteraciones del aparato fonador en consultas de Logopedia y Foniatría, lo cual favorece una mayor objetividad en la evaluación del estado de los pacientes, redundando en un diagnóstico de mayor calidad. El objetivo general de esta investigación es obtener la señal electroglotográfica y los objetivos específicos son analizar las distintas alternativas para cada etapa del sistema, simular y montar el mismo, y analizar los resultados obtenidos. Desde el punto de vista social el sistema mejora la calidad de la atención a los pacientes, y por tanto su calidad de vida, desde el punto de vista económico puede contribuir a la sustitución de importaciones, y desde el punto de vista científico constituye un material académico para la carrera de Ingeniería Biomédica. En el trabajo se llega a una propuesta funcional, que cumple los objetivos propuestos, y puede servir de base para el desarrollo posterior de un prototipo de electroglotógrafo..

(10) vii. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREAS TÉCNICAS ............................................................................................................ v RESUMEN ............................................................................................................................vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. Electroglotografía. Principios y variantes. ................................................ 3. La electroglotografía. Principio de funcionamiento................................................. 4. 1.1.1. Producción de la voz ......................................................................................... 4. 1.1.2. Principio de funcionamiento de la electroglotografía, parámetros eléctricos. .. 5. 1.2. Electroglotógrafo, variantes reportadas ................................................................... 9. 1.2.1. Diagrama de bloques. ..................................................................................... 10. 1.2.1.1. Generador y Sensado. .............................................................................. 10. 1.2.1.2. Electrodos. ............................................................................................... 14. 1.2.1.3. Demodulador. .......................................................................................... 15. 1.2.1.4. Postprocesamiento ................................................................................... 16. 1.2.1.5. Visualización. .......................................................................................... 17. 1.2.2. Equipos comerciales; características. ............................................................. 18.

(11) viii 1.3. Utilidad y limitaciones del electroglotógrafo. ........................................................ 19. 1.3.1. Aplicaciones reportadas .................................................................................. 19. 1.3.2. Limitaciones.................................................................................................... 21. 1.3.2.1. Problemas Instrumentales. ....................................................................... 21. 1.3.2.2. Problemas en la colocación de los electrodos. ........................................ 21. 1.3.2.3. Problema en las mujeres y niños. ............................................................ 22. 1.3.2.4. Otros problemas....................................................................................... 22. 1.4. Costo del Equipo. ................................................................................................... 22. 1.5. Aspectos de Seguridad Eléctrica. ........................................................................... 22. 1.6. Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 23. CAPÍTULO 2. 2.1. Sistema Propuesto ................................................................................... 24. Generador de señales.............................................................................................. 24. 2.1.1. Variante de aplicar Voltaje constante ............................................................. 25. 2.1.2. Variante de aplicar Corriente constante. ......................................................... 28. 2.2. Electrodos seleccionados. ...................................................................................... 29. 2.3. Demodulador. ......................................................................................................... 30. 2.4. Postprocesamiento.................................................................................................. 33. 2.5. Visualización. ......................................................................................................... 34. 2.6. Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 35. CAPÍTULO 3.. Resultados y Discusión............................................................................ 36. 3.1. Simulaciones. ......................................................................................................... 36. 3.2. Montaje físico......................................................................................................... 38. 3.3. Resultados de la variante V-I. ................................................................................ 39. 3.3.1. Resultados del detector. .................................................................................. 39.

(12) ix 3.1.2. Resultados del filtro. ....................................................................................... 40. 3.4. Resultados de la variante I-V. ................................................................................ 42. 3.5. Análisis económico. ............................................................................................... 43. 3.6. Conclusiones del capítulo. ..................................................................................... 44. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 45 Conclusiones ..................................................................................................................... 45 Recomendaciones ............................................................................................................. 46 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 47.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La electroglotografía(EGG) constituye una técnica cuyo principio de funcionamiento es sensar la impedancia o admitancia transversal al nivel de las cuerdas vocales. Se colocan electrodos en el cuello del paciente, exactamente a ambos lados del cartílago tiroides y se hace circular una corriente imperceptible para el paciente, que permite estimar la variación de impedancia producida por la vibración de las cuerdas vocales. La señal resultante, denominada electroglotográfica, resulta de interés para valorar el funcionamiento de la laringe y evaluar la presencia de posibles anomalías. El equipo para obtener la señal EGG(electroglotógrafo) existe desde 1957 [1-3] y fue construido con el propósito de realizar estudios de calidad vocal, aunque otras aplicaciones incluyen estudios de deglución Por constituir un método no invasivo cuya utilidad ha sido ampliamente reportada [4-7]su empleo se ha difundido en la actualidad. La motivación de esta investigación es la obtención de la señal electroglotográfica para su utilización primeramente en la investigación y luego extender su uso al entorno médico. Colateralmente se puede vincular a la carrera de Ingeniería Biomédica propiciando su estudio por parte de los estudiantes en las asignaturas correspondientes. El objetivo general de este trabajo es obtener la señal electroglotográfica y los objetivos específicos son analizar las distintas alternativas para cada etapa del sistema, simular y montar el mismo, y analizar los resultados obtenidos es la determinación de la variante de Hardware a emplear para esta obtención. Para su realización se tienen en cuenta distintas tareas técnicas que constituyen el orden del trabajo a realizar, estas se exponen a continuación:.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. Revisión bibliográfica acerca del tema. Análisis de alternativas existentes. Diseño de las configuraciones circuitales propuestas. Simulación y montaje del sistema propuesto. Evaluación de los resultados obtenidos. Realización del informe. El informe está estructurado en tres capítulos. En el primero se aborda el estado del arte, y se hace un análisis crítico de las diferentes alternativas existentes para cada etapa o bloque funcional de un electroglotógrafo. El segundo capítulo describe el sistema propuesto, argumentando las decisiones de diseño, y el tercero presenta los resultados de las simulaciones y las mediciones del montaje real, y se discuten los resultados obtenidos en función de los objetivos propuestos. Finalmente se formulan las conclusiones del trabajo, y se proponen recomendaciones de trabajos posteriores..

(15) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. CAPÍTULO 1.. 3. Electroglotografía. Principios y variantes.. En este capítulo se presentan los principales conceptos relacionados con la electroglotografía, en qué consiste y su importancia para un correcto diagnóstico y seguimiento del paciente en las patologías del habla .Son mencionadas las entidades vinculadas al tema y se presentan ejemplos de equipos comerciales. Se explica su diagrama en bloques y las ventajas y desventajas de las opciones existentes para cada uno de los bloques. El diagnóstico y tratamiento de las afecciones del habla tiene una especial importancia para el ser humano por ser esta su principal forma de comunicación. En la práctica clínica se emplea frecuentemente la voz del paciente como material de diagnóstico y de seguimiento por ser de fácil obtención y constituir una técnica no invasiva [4-7]. En la actualidad se cuenta con diversas alternativas para valorar la funcionalidad laríngea. El análisis de voz comprende diferentes técnicas como son el examen perceptual de la voz, filtrado inverso y técnicas de glotografía como el análisis acústico, flujometría, laringofibroscopía, laringoestroboscopía, videokymografía, y electroglotografía (EGG). Mediante la laringoestroboscopía, laringo-fibroscopía y videokymografíase pueden valorarlos patrones vibratorios de las cuerdas vocales pero ambos son estudios invasivos, de cierto grado de molestia, lo que suele ocasionar variaciones en las vibraciones del sujeto a evaluar. Por ello se hace deseable valorar estos principios mecánicos en base a metodologías no invasivas como el análisis acústico o la electroglotografía que es considerada un método acústico avanzado [6-8]..

(16) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 4. Otro método de análisis del aparato fonador es la acelerometría [9, 10], que no se considera un método glotográfico pues no brinda información de la apertura y cierre de las cuerdas vocales sino solamente sobre las oscilaciones mecánicas de estas[9, 10].. 1.1 La electroglotografía. Principio de funcionamiento La electroglotografía es una técnica que involucra mediciones eléctricas de un proceso oscilatorio mecánico[8, 11].A continuación se describe el proceso de producción de las oscilaciones para luego abundar en el de medición, el cual define la mayoría de los aspectos del sistema diseñado en este trabajo.. 1.1.1 Producción de la voz El aparato fonador se puede dividir en tres grandes partes: las cavidades infraglóticas, la cavidad glótica y las cavidades supraglóticas [12]. Cada una de ellas realiza una misión distinta en la fonación, pero todas ellas son imprescindibles en la misma. Para la producción del habla se dan los siguientes elementos: Una fuente de energía, proporcionada por el aire a presión que se expulsa en la espiración. Un órgano vibrador: las cuerdas vocales. Una caja de resonancia: las fosas nasales, la cavidad bucal y la faringe. Un sistema de articulación del sonido: lengua, labios, dientes y úvula. El proceso de producción de la voz se inicia en la espiración de aire, al pasar a través de las cuerdas vocales las hace vibrar a una frecuencia e intensidad determinada que depende de la masa, longitud y tensión de las mismas, a esta frecuencia de oscilación se le conoce como frecuencia fundamental. Las cuerdas vocales son las responsables de la producción de la vibración básica para la generación de la voz [13-15]. La frecuencia fundamental es diferente para cada sexo en particular. Para el caso de las mujeres fluctúa alrededor de 217 Hz y en los hombres alrededor de 116.65 Hz [1, 2, 16-18]..

(17) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 5. 1.1.2 Principio de funcionamiento de la electroglotografía, parámetros eléctricos. La electroglotografía consiste en la estimación de la conductancia transversal de la tráquea al nivel de las cuerdas vocales. La rápida variación en la conductancia es causada principalmente por el contacto variable entre las cuerdas vocales. Cuando se separan, la impedancia eléctrica transversal aumenta. Cuando se aproximan el contacto entre las cuerdas vocales aumenta disminuyendo la impedancia.[8, 19].En el máximo contacto la disminución es de aproximadamente un 1% (hasta un 3%) de la conductancia total de la laringe [20, 21]. En la Figura 1.1 se muestra la configuración básica de un circuito reportado para la generación de una señal similar a la fuente de voz [22-24] y en la Figura 1.2 se puede observar la forma de onda del ciclo glotal generada que se asemeja a una onda triangular suavizada, o una onda sinusoidal rectificada [22, 23, 25].. Figura 1.1Circuito básico para una fuente de voz (tomado de[22]).. V. t Figura 1.2.Forma de onda del ciclo glotal (tomado de[22])..

(18) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 6. En la electroglotografía, una corriente eléctrica de bajo voltaje y amperaje (fisiológicamente segura) pasa entre electrodos situados transversalmente en la superficie de la garganta, a nivel de las alas del cartílago tiroides[8].En la Figura 1.3se observan los caminos que puede tomar la corriente al pasar por esta área.. Figura 1.3. Colocación de los electrodos en electroglotografía y diferentes vías por donde circula la corriente. Las siglas CET: conductancia eléctrica transversal y ACCV: área de contacto de las cuerdas vocales.. La electroglotografía como método fue desarrollada por primera vez por Fabre en 1957 [26] y las contribuciones influyentes son atribuidas a Adriam Fourcin en 1971 [27] con Abberton [3] y a Frokjaer - Jensen en 1968 con Thorvaldsen [28]. Comercialmente los dispositivos. disponibles. son. producidos. por. LaryngographLtd,. Synchrovoice,. GlottalEnterprises , Frokjaer-Jensen y la KayPentax [1-3]. Para la medición de impedancia electroglotográfica se pueden utilizar dos variantes: una es aplicar corriente constante por medio de los electrodos a través de las cuerdas vocales, y medir la impedancia presente a partir del voltaje generado, mientras la otra variante sería aplicar voltaje constante y medir impedancia entre los electrodos a partir de la corriente que circula por ellos. La corriente o voltaje aplicados no deben ser de corriente directa pues pueden provocar daños en el paciente debido a la posible ionización del tejido. Al aplicar la variante de corriente alterna al paciente y teniendo en cuenta que V=I*Z en la Figura 1.4 se pueden observar la señales correspondientes a la alternativa de corriente constante, se muestra a la izquierda la corriente que se aplica, en el centro la señal que.

(19) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 7. corresponde a las variaciones de impedancia producidas en las cuerdas vocales y la derecha la señal de voltaje que se obtiene como resultado de aplicar la ley de Ohm. I. Z. V=I*Z. Señal bipolar de I Impedancia e/electrodos. Voltaje e/electrodos. 1.5. 1.5. 1. 1. 1. 0.5. 0.5. 0.5. 1.5. 0. 0. 0. -0.5. -0.5. -0.5. -1. -1.5. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. -1. -1. -1.5. -1.5. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Figura 1.4.Formas de ondas representativas de corriente, impedancia y voltaje en el caso de aplicar corriente constante.. Para el caso de aplicar voltaje constante se muestran en la Figura 1.5 a la izquierda el voltaje que se aplica, en el centro las variaciones de impedancia presentes en las cuerdas vocales y a la derecha la señal de corriente. V. Z. Señal bipolar de V. I=V/Z. Impedancia e/electrodos. Corriente e/electrodos. 1.5. 1.5. 1. 1. 1. 0.5. 0.5. 0.5. 0. 0. -0.5. -0.5. -1. 1.5. 0. -0.5. -1. -1 -1.5. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. -1.5. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. -1.5. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. 3000. Figura 1.5.Formas de ondas representativas de voltaje, impedancia y corriente en el caso de aplicar voltaje constante.. Entre las dos figuras la principal diferencia es la inversión de la envolvente de la amplitud de la señal resultante (el gráfico de la derecha en ambas figuras). Esta envolvente, provocada por la variación de impedancia, es la señal de interés. En el caso de medición de voltaje a corriente constante a la señal de interés se le denomina EGG (proporcional a la impedancia), mientras que a la obtenida en el caso contrario se le denomina Lx (proporcional a la admitancia) [29]..

(20) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 8. Al aplicar voltaje o corriente se registran variaciones de impedancia entre los electrodos.La impedancia total es la suma de tres resistencias conectadas en serie que serían la impedancia de los electrodos (Ze), la del cuello (Zc) y la que se quiere medir que corresponde a las variaciones de las cuerdas vocales que sería (Zv).En la Figura 1.6 se muestra una representación de estas resistencias.. Figura 1.6. Representación de las resistencias presentes en la medición de impedancia glotográfica.. En el caso de que la señal de excitación bipolar sea sinusoidal, se puede plantear para la alternativa de corriente constante que: I (t)=Ac*cos (Wct) Donde Ac es la amplitud de la señal. La ecuación de la forma de onda que sensan los electrodos es: V (t)= I(t)*Z(t) = Ac*Z(t)*cos (Wct) y como Z(t) se puede descomponer en una parte constante Zt y otra variable Zv, (Z=Zt+Zv) esto puede reescribirse como: V (t) = Ac/Zt*[1+Zv (t)/Zt]*cos (Wct) Puede apreciarse la similitud de la ecuación anterior con la que describe una modulación de amplitud (AM) [30]. Xc (t) =Ac [1+mx (t)]* cos (wct) donde Ac*cos (wct) es la portadora sin modular, y la constante m recibe el nombre de índice de modulación. Puesto que Ac es la amplitud de la portadora sin modular se define que la amplitud de la señal modulada es Ac [1+mx (t)] [30]. Estableciendo una similitud entre ambas, puede decirse que la forma de onda que sensan los electrodos está modulada en amplitud, y que para medir Zv (la señal de interés, de.

(21) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 9. variación de impedancia) se puede efectuar un proceso de demodulación para separar la señal portadora de la moduladora. Para el caso de aplicar voltaje es exactamente lo mismo con la diferencia de que se reemplaza la impedancia por admitancia y la señal obtenida se denomina laringograma (la anteriormente mencionada Lx). Las variaciones de impedancia presentes entre los electrodos conforman la señal electroglotográfica, y esta consta de: Un componente de alta frecuencia, que se relaciona con la vibración de las cuerdas vocales (voz). Un componente de baja frecuencia, que se relaciona con un movimiento poco apreciable de la laringe (como por ejemplo durante la deglución) (véase Figura 1.7.) [29, 31, 32].. Figura 1.7.Señal electroglotográfica.. 1.2 Electroglotógrafo, variantes reportadas El electroglotógrafo o EGG proporciona información sobre la apertura y cierre de las cuerdas vocales, mediante la medición de la resistencia eléctrica presente entre dos electrodos colocados alrededor del cuello. Se plantea que incluso aunque la señal proporcione sólo una evaluación aproximada de la superficie de contacto, ofrece muy buena información sobre el período de vibración de las cuerdas vocales al hablar y también es muy útil para conocer el comportamiento laríngeo durante la deglución [1]. Estas aplicaciones lo hacen útil en las clínicas de logopedia, foniatría y ORL..

(22) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 1.2.1. 10. Diagrama de bloques.. En la Figura 1.8 se muestra un diagrama en bloques de un electroglotógrafo el cual comienza desde los electrodos que se colocarían en el cuello del paciente hasta la visualización de la señal. Primeramente se genera la señal bipolar que se aplica al cuello del paciente y los electrodos sensan las variaciones de impedancia producidas, luego la señal obtenida pasa por una etapa de demodulación, para recuperar la envolvente, y posteriormente por una etapa de post procesamiento hasta obtener la señal de utilidad para su uso en las mediciones de calidad vocal.. 1.5. 1. 0.5. 0. -0.5. -1. -1.5. 0. 500. 1000. 1500. 2000. 2500. Generador. 3000. Demodulación. Filtrado. Visualización. Figura 1.8.Diagrama de bloques de un electroglotógrafo.. 1.2.1.1. Generador y Sensado.. Con el generador de señales se obtiene la onda bipolar que se encarga de alimentar a los electrodos del voltaje/corriente necesario para aplicar al cuello del paciente sin causarle daños al paciente, es decir una señal que sea fisiológicamente segura. El sensado se encarga de obtener las variaciones de impedancia presentes en las cuerdas vocales. La señal bipolar puede ser sinusoidal, cuadrada, u otra y el diagrama de la distribución de los terminales del generador, los electrodos y la señal sensada se muestran en la Figura 1.9, para las dos variantes de obtención del electroglotograma (EGG o Lx).. R. Figura 1.9a. Aplicando voltaje constante. Figura 1.9b. Aplicando corriente constante.

(23) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 11. La mayoría de los equipos de electroglotografía optan por la variante de aplicar corriente constante, pues es relativamente sencillo medir la señal de voltaje que se produce al variar la impedancia entre los electrodos. Adriam Fourcin, de Laryngograph Ltd, desarrolló además la variante de introducir voltaje constante, basándose en la sencillez de la generación [21, 27]. La señal generada se reporta en el rango de los 250 KHz a 5 MHz [6]. Esta frecuencia es suficientemente alta para que la corriente pase por la piel, menos conductora [20]. La corriente proporcionada es diferente para cada dispositivo en particular, pero no supera los miliamperes [33]. A continuación se realiza una comparación entre las diferentes alternativas reportadas para la generación de una onda cuadrada así como sus ventajas y desventajas para cada uno de los casos. Osciladores de onda Ventajas. Desventajas. cuadrada Inversores CMOS. Oscilador con 555. Trabajan a altas frecuencias, Son frágiles a carga estática, no fácil implementación.. garantizan bipolaridad. Fácil implementación. No garantizan bipolaridad, no garantizan altas frecuencias. A transistores. Trabajan a altas frecuencias. No. garantizan. bipolaridad,. complicada estabilidad Amplificadores. Garantizan bipolaridad, fácil No garantizan altas frecuencias. operacionales. implementación. Tabla 1.1.Comparación entre algunas variantes de osciladores de onda cuadrada.. A continuación se muestran las configuraciones circuitales de cada uno de los generadores de onda cuadrada anteriormente mencionados..

(24) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. Figura 1.10.Oscilador con inversores CMOS. Figura1.12.Oscilador a transistores. 12. Figura 1.11. Oscilador con 555. Figura 1.13.Oscilador Schmitt Trigger.. Para el caso específico de la Figura1.12 los valores de R2C1 y R3C2 son los que se regulan para obtener las constantes de tiempo deseadas. En la Tabla 1.2 se realiza una comparación pero esta vez para generadores de onda sinusoidal. Osciladores sinusoidales Puente de Wien. Ventajas. Trabajan a altas No garantizan estabilidad de amplitud, para garantizar frecuencias. Colpitts Hartley. Desventajas. amplitud constante necesitan de más componentes. y Trabajan a altas Difícil de diseñar, presentan bobinas, necesita de más frecuencias. componentes para garantizar estabilidad de amplitud.. Tabla 1.2. Comparación entre algunas variantes de generadores de onda sinusoidal..

(25) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 13. Otra variante de obtención de una señal sinusoidal es a partir de filtrar pasa banda una onda cuadrada. Este método tiene como desventaja la utilización de más componentes para obtener esta señal que en el caso del electroglotógrafo sería solamente la onda portadora. Seguidamente se muestran las configuraciones circuitales de cada uno de los generadores de onda sinusoidal anteriormente mencionados.. Figura 1.14.Oscilador Puente de Wien.. Figura 1.15.Oscilador Colpitts.. Figura 1.16.Oscilador Hartlhey. Figura 1.17.Generador sinusoidal a partir de un oscilador Schmitt Trigger con filtrado..

(26) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 1.2.1.2. 14. Electrodos.. Los electrodos se utilizan para garantizar una adecuada impedancia de contacto con la piel, y en la electroglotografía se emplean de cobre, plata u oro. Tienen la forma de anillos o rectángulos que cubren un área que se extiende de 3 cm2 a 9 cm2. A menudo se utiliza un tercer electrodo como referencia para las mediciones de impedancia. Puede ser diseñado como un electrodo independiente o como un electrodo de anillo rodeando cada uno de los dos otros electrodos. Los electrodos están generalmente montados sobre una cinta flexible cuya longitud puede ser ajustada. El voltaje entre los electrodos depende de la impedancia de tejido pero el valor típico es aproximadamente de 0.5 a 3 V [3, 34]. En la Figura 1.18 se pueden observar un ejemplo de electrodos que usa Glottal Enterprises para la electroglotografía. En el caso del modelo EG2 –PC y EG2-Standard (Figura 1.23 a la izquierda y Figura 1.24) se utilizan los electrodos de la Figura 1.18 a la izquierda. Para el caso específico del EG90 (Figura 1.23 a la derecha) se utiliza los electrodos de la Figura 1.18 en el centro y a la derecha [32]. En la Tabla 1.3 se observa las características de los electrodos para distintos modelos de electroglotógrafos. Modelo. Frecuencia. Voltaje. Corriente. Diámetro. de. electrodos. EG2. 2 MHz. 1.5V. 160mA. 34mm. EG2Standard. 2 MHz. 1.5V. 160mA. 34mm. EG90. 300kHz. 1V. 3mA. 24mm. Tabla 1.3.Parámetros de diseño de algunos electroglotógrafos comerciales [6].. Figura 1.18. Electrodos que utiliza Glottal Enterprices.. Una variante digna de mencionar es la determinación de la correcta colocación de los electrodos en el cuello colocando tres electrodos [20] uno a continuación del otro como se muestra en la Figura 1.19.Al aplicar un potencial a los electrodos si la variación en la.

(27) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 15. amplitud del potencial sensado por los electrodos superiores e inferiores es igual esto demuestra una colocación correcta de los electrodos centrales favoreciendo un mejor resultado [20].. Figura 1.19.Arreglo de tres electrodos para determinación de correcta colocación del par central[20].. 1.2.1.3. Demodulador.. La señal portadora cuando se aplica al cuello del paciente es modulada en amplitud por la señal que corresponde a las vibraciones de las cuerdas vocales. Dado que la forma de onda que captan los electrodos está modulada en amplitud, se hace necesario separar la onda portadora de la moduladora. Esta última es la señal de interés que corresponde a las vibraciones que se producen en las cuerdas vocales como resultado de la señal aplicada al cuello del paciente. El demodulador se encarga de obtener la señal de interés. Las variaciones de voltaje representan aproximadamente hasta un 3% del voltaje de corriente directa en que está montada la señal. Para la realización de la demodulación existen dos alternativas que se explican a continuación: Detector coherente Todos los tipos de modulación lineal pueden ser detectados por el demodulador sincrónico de producto (detector coherente) mostrado en la Figura 1.20. La señal sinusoidal generada por el oscilador se multiplica por la señal de entrada, después se filtra mediante un filtro paso bajo: el ancho de banda de dicho filtro es del mismo ancho o mayor que la señal moduladora El oscilador necesita sincronizarse.

(28) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 16. exactamente con la portadora tanto en fase como en frecuencia, de ahí proviene el nombre de detección sincrónica [24]. Multiplicador. Entrada. Filtro. ~. Oscilador Figura 1.20: Detector Coherente.. Detector por envolvente Con este tipo de demodulador se recupera la señal moduladora siguiendo los picos de la señal modulada. En la Figura 1.21 se muestra el circuito que corresponde a un detector de envolvente donde Vin es la señal modulada y Vout la envolvente de la señal Con cada semiciclo positivo el capacitor se carga y en el semiciclo negativo se descarga a través de la resistencia R. También se puede utilizar como demodulador de AM un circuito rectificador de onda completa, constituido por dos diodos y por un transformador con toma central. Cada uno de los diodos va a permitir el paso de la corriente en un sentido. Esta última configuración es más compleja a la hora del diseño[30]. Figura 1.21.Circuito Detector por envolvente.. 1.2.1.4. Postprocesamiento. La amplitud de las oscilaciones de la envolvente que recupera el demodulador es varios órdenes de magnitud menor que el nivel de DC en el que está montada la señal. Esto hace.

(29) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 17. que para su posterior amplificación sea necesario eliminar dicho nivel de DC. Otro problema es la presencia en la envolvente de restos de la portadora, debido a un funcionamiento imperfecto del demodulador. Por estos dos motivos es conveniente realizar un filtrado pasa bandas a la señal demodulada. El filtrado paso banda elimina el nivel DC en que está montada la señal luego de ser demodulada y el ruido que presente.. 1.2.1.5. Visualización.. En los estudios de calidad vocal se analiza la señal de voz y en caso de presentar anomalías estas pueden ser detectadas a tiempo contribuyendo de esta forma a mejorar la calidad de vida del ser humano así como su correcta comunicación con la sociedad. Para poder visualizar la señal se han utilizado diferentes vías por ejemplo la señal se puede capturar en la PC digitalizada previamente por la tarjeta de sonido o puede visualizarse en un osciloscopio. En la Figura 1.22 se puede observar un ejemplo del osciloscopio Voiscope diseñado por la compañía Frokjaer-Jensen que permite la visualización de la señal glotal.. Figura 1.22.Osciloscopio Voiscope tomado de [21]..

(30) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 18. 1.2.2 Equipos comerciales; características. Diversas compañías se han dedicado al diseño de electroglotógrafos pudiendo mencionar a la compañía Glottal Enterprises que diseña modelos de EGG cuya forma de onda presenta un bajo nivel de ruido y por sus características estos electroglotógrafos son los más solicitados por investigadores y clínicos [32].Tanto el EG2-PCX como el EG2-Standard presentan un indicador de correcta colocación y proveen una señal cuantitativa del movimiento vertical de la laringe. El modelo de EG2 - PCX ofrece la conexión fácil a una computadora personal para el uso con los paquetes de software de habla empleados actualmente. El EG90 es un electroglotógrafo portátil que se alimenta con una batería, este se puede llevar sobre el pecho y los electrodos se colocan fácilmente en el cuello. El director de esta compañía es Martín Rothenberg que ha dedicado gran parte de su vida al estudio de las patologías del habla y por ende al diseño de EGG. En la Figura 1.23 a la izquierda se muestra el modelo de electroglotógrafo EG2-PC y a la derecha el modelo EG90 y en la Figura 1.24 se puede observar el modelo EG2 Standard, tanto su parte delantera como su parte trasera [32]. Otra compañía que diseña electroglotógrafos es la Kay Pentax produciendo modelos como el modelo 5138 y el modelo Kay 6103 que se puede ver en la Figura 1.25 de izquierda a derecha respectivamente. Por otra parte la compañía Frokjaer-Jensen and Thorvaldsen diseñó el modelo EG830 que presenta dos electrodos de plata induciendo un voltaje de 0.5V a una frecuencia de 300kHz.En la Figura 1.26 se puede observar este modelo de electroglotógrafo [21].. Figura 1.23.Modelos de electroglotógrafos de la Glottal Enterprises.. Figura 1.24.Modelo EG2Standard de la Glottal Enterprises..

(31) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 19. Figura 1.25. Modelos de electroglotógrafos de la Kay Pentax.. Figura 1.26.Modelo EG830 tomado de[21].. 1.3 Utilidad y limitaciones del electroglotógrafo. Este equipo se utiliza en las consultas de Logopedia, Foniatría y ORL para valorar y diagnosticar anomalías en el aparato fonador. A pesar de que este equipo tiene un uso definido y probado presenta algunas limitaciones en su funcionamiento y por consiguiente en sus resultados. A continuación se describen las aplicaciones reportadas así como las limitaciones registradas.. 1.3.1 Aplicaciones reportadas La electroglotografía es un método confiable para la medición de los patrones vibratorios de los pliegues vocales [29, 31]. Una de las principales ventajas de este estudio es el de valorar al paciente en condiciones fisiológicas de fonación. La utilidad de la electroglotografía como técnica para medir y evaluar la deglución también ha sido demostrada en diversos estudios. Así, por ejemplo se comprobó la posibilidad de utilizar la electroglotografía para registrar y medir diferentes aspectos de la deglución en pacientes con enfermedad de Parkinson y con miastenia gravis [29, 33, 35]. En los mismos se concluyó que la forma de la onda electroglotográfica puede llegar a reflejar aspectos temporales del movimiento laríngeo.

(32) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 20. durante la deglución y que la electroglotografía puede llegar a considerarse una técnica de modificación de conducta en los tratamientos de la deglución [29].[36]. La electroglotografía computarizada permite realizar una valoración objetiva de la calidad vocal y del grado de severidad de la alteración vocal, dividiendo en ronquera (hoarse), aspereza (harsh) y voz soplada (breathy) [37]. El análisis de la onda EGG nos permite conocer la regularidad de la vibración de los pliegues vocales (vocal fold regularity) y el tiempo del cierre glotal (glottal clossure time) [31]. En la Figura 1.27 se puede observar la onda del ciclo glotal en una electroglotografía computarizada en la variante de medir admitancia. El movimiento hacia arriba de la curva indica que hay mayor cierre de los pliegues vocales (movimiento aductor). Cuando la curva desciende indica que los pliegues vocales se están separando (movimiento abductor) [31].[32].. Figura 1.27. Onda del ciclo glotal obtenida en un sistema de Electroglotografía computarizada.. La electroglotografía ha servido también para estudiar los grupos consonánticos simples intervocálicos iniciados por consonantes fricativas en polaco como resultado de un estudio de la estructura sonora de las lenguas. La técnica EGG utilizada en los trabajos sobre la coordinación entre las articulaciones glotal y supraglotal en las fricativas intervocálicas y los grupos consonánticos fricativa + sonante en polaco, ha sido útil para observar la realización glotal en todo el transcurso de los segmentos estudiados y establecer los patrones de esta realización [38]. Por otra parte esta técnica se ha fundado como un método valioso para valorar el comportamiento de la laringe. En la comparación a los otros métodos de glotografía Frokjaer - Jensen [28] observó en 1969 que la electroglotografía permite una mejor.

(33) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 21. representación de las fases cerradas y de cierre del movimiento de los pliegues vocales, especialmente en el área de contacto vertical. La electroglotografía es superior a los otros métodos de glotografía en lo que respecta a que no es incómodo para los pacientes por ser totalmente no invasiva (no ejerce influencia en absoluto sobre la articulación y producción de sonidos) [21].. 1.3.2 Limitaciones. La electroglotografía es considerada una valiosa herramienta para el diagnóstico de las patologías del habla por constituir una técnica no invasiva debido a que no le ocasiona daños al paciente. No obstante este método presenta ciertas dificultades que se consideran limitaciones a la hora de ofrecer un correcto diagnóstico al paciente en observación. A continuación se enumeran algunos de los problemas reportados [39].. 1.3.2.1. Problemas Instrumentales.. La señal puede presentar variaciones regulares o aleatorias debido a la relación de frecuencia recogida por los electrodos, esta relación puede verse afectada por la presencia de otros equipos que provocan fluctuaciones que se presentan como distorsiones en la forma de onda de la señal del EGG. Mientras que el contacto de las cuerdas vocales provoca pequeños cambios en el rango de frecuencia del electroglotógrafo estas señales pueden llegar a ser dominantes provocando un cambio en la señal electroglotográfica no deseado [39].. 1.3.2.2. Problemas en la colocación de los electrodos.. La incorrecta colocación de los electrodos puede ser una dificultad en la electroglotografía, en ocasiones se colocan por encima o por debajo del cartílago tiroides provocando que la señal captada no corresponda a las vibraciones de las cuerdas vocales estimulando un diagnóstico defectuoso, lo correcto es que se coloquen cada uno en la mitad de cada lámina tiroidea [39]. La superficie de la piel humana presenta una resistencia eléctrica que imposibilita lograr un contacto adecuado entre los electrodos y la piel trayendo consigo que exista una mala conductividad entre ellos. Para eliminar esta dificultad se puede limpiar la piel con alcohol.

(34) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 22. o algún fluido similar para aumentar la conductividad, adicionado a esto se puede colocar gel que ayude a mantener un interfaz de resistencia baja entre los electrodos y la piel [39].. 1.3.2.3. Problema en las mujeres y niños.. En el caso de las mujeres es más difícil obtener una forma de onda adecuada pues presentan menor masa en las cuerdas vocales haciendo que estas vibren con mayor frecuencia y una menor separación reduciendo la amplitud de las variaciones de impedancia. Presentan gran cantidad de tejido adiposo en el cuello reduciendo la amplitud de las variaciones de impedancia que se produce al entrar en contacto las cuerdas vocales. Si la amplitud de las variaciones de impedancia se reduce trae consigo que las variaciones de voltaje que se obtienen sean menores empeorando la situación pues se hace más difícil la obtención de la envolvente de la señal modulada. Para los niños es muy similar pero con una mayor dificultad debido a que el grado de cooperación de estos en la disciplina a la hora de la prueba es menor [39].. 1.3.2.4. Otros problemas.. Existen otros problemas como son el movimiento vertical de la laringe que produce que los electrodos se desvíen del área de acción en las cuerdas vocales, contracción de los músculos del cuello y movimiento de otras estructuras provocando la afectación de las propiedades de trasmisión eléctrica del cuello[39].. 1.4 Costo del Equipo. Según informes de Glottal Enterprises el modelo de electroglotógrafo EG2 Standard, el cual presenta dos canales e incluidos un par de electrodos de 35mm, está valorado en 3350 dólares [32, 40].. 1.5 Aspectos de Seguridad Eléctrica. La International Electrotechnical Commission (IEC) ha adoptado y establecido los estándares sobre la seguridad para equipos electromédicos. Según la norma del IEC se establecen dos grupos en dependencia de la protección utilizada y del nivel de protección..

(35) CAPÍTULO 1. Electroglotografía.Principios y variantes .. 23. Según las características del equipo en cuestión este se encuentra clasificado en cuanto a la protección utilizada dentro de los equipos con alimentación interna en los cuales no se prevé conexión eléctrica alguna desde una fuente exterior a la fuente interna en funcionamiento normal, en otras palabras, está alimentado a través de pilas o baterías recargables prohibiéndose su uso en el momento de recarga de energía [45] [46] [47]. En cuanto al nivel de protección el equipo es clase BF que entra dentro de aquellos tipo B con la entrada o parte aplicada al paciente, flotante eléctricamente, permitiéndose niveles de corrientes con valores del orden de 0,1 mA de corrientes de fuga en condiciones normales de explotación y de hasta 0,5 mA en la condición de simple falla. Se emplean en aplicaciones con contacto externo o interno que no incluya al corazón. Los equipos con alimentación interna tienen previsto un adecuado grado de protección contra corrientes de fuga y fiabilidad de la conexión de tierra [46-50].. 1.6 Conclusiones del capítulo. La EGG es una técnica que se puede utilizar en diferentes campos como la medicina y la lingüística. En las patologías del habla puede emplearse para establecer diferentes diagnósticos para un posterior tratamiento, o constituir un indicador del progreso del mismo. Estas patologías pueden manifestarse como trastornos musculares, nerviosos, y anatómicos (malformaciones, amputaciones). Dada la escasez en las consultas de logopedia y foniatría de un equipo destinado al diagnóstico de las estructuras involucradas en la voz y por su contribución a aumentar la calidad de vida de la sociedad, resulta de interés desarrollar un electroglotógrafo.

(36) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. CAPÍTULO 2.. 24. Sistema Propuesto. Como se mencionó en el capítulo anterior, para realizar la medición de impedancia existen dos variantes, una aplicar voltaje constante y medir admitancia y la otra aplicar corriente constante y medir impedancia. A lo largo de este capítulo se analizarán estas dos variantes a partir de las alternativas reportadas para cada uno de los casos.. 2.1 Generador de señales El objetivo de este bloque es generar una onda bipolar a altas frecuencias, ya sea cuadrada o sinusoidal. En cuanto a los generadores de onda sinusoidal ninguno de los analizados reúne las características deseables, puesto que no garantizan directamente la estabilidad de la amplitud. Para lograr esta estabilidad se necesitan componentes adicionales en el circuito. De los generadores de onda cuadrada mostrados en el Capítulo 1 el generador Schmitt Trigger fue seleccionado para el sistema propuesto debido a que garantiza inherentemente la bipolaridad, y es el que presenta menor cantidad de componentes haciendo relativamente fácil su diseño e implementación. El empleo de una variante a amplificadores operacionales da la posibilidad de contar con otros OpAmps para otras funciones en el caso de usarse un circuito integrado con varios OpAmps en el mismo encapsulado. Entre las opciones que aparecen en ese caso está la posibilidad de generar la onda cuadrada y filtrarla con filtros activos para obtener una sinusoide. Esta última posibilidad trae como inconveniente que se hace necesario la utilización de una mayor cantidad de componentes externos, aunque en este capítulo se valora esta variante..

(37) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 25. 2.1.1 Variante de aplicar Voltaje constante Esta variante consiste en la generación de una señal bipolar de voltaje con amplitud constante a altas frecuencias para ser aplicada al cuello del paciente. Luego de lograr esta señal y una vez aplicada al cuello del paciente, los electrodos se colocaron uno a la salida del oscilador y otro a una resistencia donde se puede medir el voltaje que se cae en ella que es proporcional a las variaciones de la corriente sensada por los electrodos. Otra función de la resistencia es limitar la corriente que pasa por el cuello del paciente. La siguiente figura, mostrada en el Capítulo 1 como Figura 1.9, se repite aquí con el objetivo de facilitar la comprensión de la explicación anterior.. R. Para el diseño de esta variante se utilizó un generador de onda cuadrada en configuración Schmitt Trigger, donde se escogió un circuito integrado TL-084 compuesto por cuatro operacionales con una fuente de alimentación de -12Va12V y un slewrate de 16V/us[41]. Teniendo en cuenta que en la configuración Schmitt Trigger la frecuencia de las oscilaciones está dada por f=ln (1+R1/R2)/R4*C1 para lograr altas frecuencias se necesita que la constante R4C1 en el circuito sea pequeña. Para obtener una baja constante R4C1 no puede bajarse excesivamente el valor de R4, pues esta puede hacerse comparable a la impedancia de salida del operacional, que idealmente debe de ser cero, pero en la realidad es de 50-400 ohmios[41].Con una resistencia de un valor pequeño y la resistencia de salida del operacional diferente de cero se crea una variación de voltaje no deseada en el instante de conmutación que produce una pendiente en el borde de subida de la señal. Por este motivo el valor de R4 debe ser considerablemente superior a 400 Ω. El valor del capacitor se ve limitado a no ser inferior a las capacidades parásitas entre los pines del operacional. Empíricamente se halló que dicha capacidad es de unos 10 pF. Por.

(38) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 26. este motivo se decidió que el valor de capacidad fuera superior a los 100 pF, para que la capacidad parásita no afectara el funcionamiento del circuito. De esta forma se escogió un valor de resistencia pequeño pero mucho mayor que el valor de impedancia de salida del operacional y un valor de capacitor que permita que puedan ser despreciadas las capacitancias parásitas en el montaje real del sistema. Finalmente los valores elegidos fueron C1=150pF y R4=5kOhm, mientras que R1 y R2 se fijaron a 10kOhm. La forma de onda obtenida se muestra en la Figura 2.1. Con estos valores se obtiene una frecuencia de ~250 KHz, que es la más baja posible dentro de los órdenes de la electroglotografía.. Figura 2.1 Forma de onda a la salida del oscilador.. Se puede observar que la forma de onda obtenida presenta oscilaciones de amplitud constante a una frecuencia de 243 kHz. La señal presenta una forma de onda casi triangular en lugar de una cuadrada y esto es debido a que los bordes de subida y bajada se encuentran limitados por el slewrate del amplificador. No obstante, el hecho de que llegue a la zona en que el OpAmp se satura (zona plana cercana a Vcc) garantiza la estabilidad de amplitud deseada. A continuación se realiza la implementación de una onda sinusoidal a partir de una onda cuadrada. Para este análisis se utilizó el generador de onda cuadrada diseñado anteriormente y luego se filtró pasabanda obteniendo una señal sinusoidal.

(39) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 27. Esta variante requiere una mayor cantidad de componentes pues se utilizó un Opamp para el generador de onda cuadrada y dos para el filtro pasabanda, casi una pastilla completa utilizada solo para el primer bloque del diagrama. Primeramente se analizó para ver a qué frecuencia el amplificador puede trabajar cómodamente sin que se afecte su mayor pendiente de subida, teniendo en cuenta que el tl084 presenta un slewrate de. , la ecuación de la onda sinusoidal es. la derivada de esta ecuación que sería la pendiente en todos los puntos es. sustituyendo el valor de frecuencia es. y. y. colocando. respectivamente. Con. la frecuencia es más alta que con el generador de onda cuadrada y esto se consigue sin explotar el funcionamiento del amplificador. El filtro que se implementó fue diseñado en el Filter Pro [42] en configuración Sallen Key con aproximante de Butterwort centrado en la frecuencia de oscilación de 243kHz. A continuación se puede observar en la Figura 2.2 el filtro implementado en Filter Pro.. Figura 2.2. Filtro diseñado en Filter Pro para obtener onda sinusoidal.. Seguidamente se muestra la forma de onda presente a la salida del filtro..

(40) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 28. Figura 2.3. Forma de onda a la salida del filtro.. Esta forma de onda es adecuada para esta aplicación pero debido a que se utilizan una mayor cantidad de componentes que la variante de onda cuadrada se optó por mantener esta última De esta manera el generador quedó conformado por el circuito de la Figura 1.13 que produce la señal de la Figura 2.1.. 2.1.2 Variante de aplicar Corriente constante. Como es sabido una variante para medir impedancia glotográfica es aplicando corriente de amplitud constante al cuello del paciente. Esta corriente se puede generar a partir del generador de onda cuadrada implementado en la Figura 2.1, empleando un convertidor de voltaje a corriente. En la Figura 2.1 se pudo observar que el voltaje a la salida del Schmitt Trigger es aproximadamente Vcc, y teniendo en cuenta que la ganancia del convertidor es mayor que la unidad se colocó un atenuador para disminuir el voltaje a la entrada del convertidor impidiendo que se sature. Las resistencias del atenuador están en el orden de unas pocas decenas de kΩ. Los electrodos se colocaron uno al terminal negativo del convertidor y otro a la salida, ellos a su vez están sujetos al cuello registrando las variaciones de voltaje producto de las variaciones de impedancia presentes en las cuerdas vocales. En la Figura 2.4 se puede observar la configuración del generador de onda cuadrada, seguido el atenuador y luego el convertidor en configuración inversora así como la colocación de los electrodos en el circuito..

(41) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 29. Figura 2.4.Configuración para la variante de aplicar corriente constante.. En el convertidor la corriente que pasa por el cuello del paciente está dada por el voltaje a la salida del atenuador entre R3, el voltaje a la salida es VOUT=RC/R3 siendo RC la resistencia del cuello. y la impedancia de entrada al Opamp es R3.. 2.2 Electrodos seleccionados. Los electrodos son los encargados de transmitir el potencial necesario al cuello del paciente y estos a su vez sensan las variaciones de admitancia de las cuerdas vocales al vibrar como resultado del potencial aplicado. Se dispone de algunas variantes de electrodos pudiendo mencionar: Electrodos de plata cloruro de plata: estos son los electrodos utilizados en electrocardiografía también llamados electrodos de pinzas que presentan propiedades anticorrosivas y tienen forma de arco de modo que se hace más fácil el ajuste al cuello del paciente garantizando una total conexión entre los electrodos y el cuello. La dificultad de estos es que en ocasiones se hacen más notables las variaciones que se producen debido a la presión que se ejerce con las manos sobre los electrodos que las propias variaciones de las cuerdas vocales. Al colocar este tipo de electrodo al cuello del paciente se le debe colocar un gel para aumentar la.

(42) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 30. conductividad y en el caso de pacientes que presenten vello en esta zona deben de afeitarse. Para mejorar las variaciones debido a la presión ejercida se pueden sujetar los electrodos mediante una banda elástica de modo que queden sujetos al cuello del paciente. Electrodos en forma de perita, estos presentan un área de contacto muy pequeña además de ser incómoda para el paciente pues suele dejar marcas en la piel una vez retirados. Electrodos adhesivos de plata cloruro de plata: estos están formados por una base de papel adhesivo sobre el cual se encuentra fijo un botón de plata recubierto por una fina película de cloruro de plata depositada electrolíticamente (Ag/AgCl) Sobre el botón se encuentra una porción de gelatina conductora que permite un buen contacto entre la piel y el electrodo. Estos presentan fácil colocación son muy cómodos para el paciente y por ser desechables se elimina el problema de la degradación. También presentan una lija que se utiliza para aumentar la conductividad en la superficie de la piel. Con los electrodos desechables se elimina las variaciones por presión pues ellos se ajustan al cuello a través del pegamento que presentan en su estructura. Analizando las ventajas y desventajas de cada uno de los electrodos mencionados se escogieron los electrodos adhesivos de plata cloruro de plata.. 2.3 Demodulador. Como se explicó en el Capítulo 1 las variaciones de impedancia se pueden captar aplicando técnicas de demodulación AM. Debido a que la señal portadora que se le aplica al paciente es cuadrada se deduce que el detector a utilizar es el detector por envolvente ya que el detector coherente solo puede utilizarse cuando la forma de onda es sinusoidal. El detector por envolvente detecta las variaciones de amplitud de la señal bipolar independientemente de la forma de onda que presente. En el circuito del demodulador, cuya representación se repite por conveniencia en la siguiente figura, el capacitor C se descarga entre picos de la señal bipolar a través de la.

(43) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 31. resistencia R. Esto provoca que la salida Vout no sea perfectamente plana, presentando cierto rizado.. Figura 2.5. Detector por envolvente.. En la figura siguiente se muestran las señales Vin (en azul, línea continua), y Vout (en rojo, línea discontinua) y se indica la amplitud máxima de la señal bipolar con Vm y la amplitud del rizado con Vr.. Vr. Vm. T=1/f. Figura 2.6.Parámetros involucrados en la descripción del funcionamiento del detector. La pendiente de la descarga del capacitor puede estimarse recordando que en un capacitor: dV/dt=I/C. (1). y si el rizado es pequeño, se puede asumir I constante (la descarga del capacitor sería en línea recta, aproximación que puede verificarse cercana a la realidad en la figura) y la pendiente sería: dV/dt=I/C=Vm/(RC). (2).

(44) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 32. La amplitud del rizado sería aproximadamente: Vr= ½ T dV/dt = Vm/(2 f RC). (3). La pendiente de la descarga del capacitor incide directamente en la amplitud del rizado, que se traduce en un ruido en la envolvente detectada, por lo que debe reducirse al mínimo posible. Sin embargo, esta pendiente debe descender lo suficientemente rápido para seguir los cambios más rápidos que puedan presentarse en la amplitud Vm, que constituyen la señal de interés. Partiendo de que: Vin = Vm / (Zc + Zv(t)) b(t). (4). con Vm la amplitud máxima de la señal, Zc la impedancia constante (cuello + interfaz electrodo piel + resistencia de sensado) Zv la variable de interés, y b(t) la señal bipolar empleada (ya sea sinusoidal o cuadrada) con amplitud unitaria, se puede estimar la máxima variación de la señal de interés Z(t). Para ello hay que recordar que la variación de Zv(t) es de hasta un 3% de la impedancia estable Zc. Asumiendo que esta variación ocasiona una variación de voltaje relativa semejante, y que la señal de voltaje esté en un nivel DC de ~Vcc/2, la variación de voltaje tendría amplitud de 0.03 Vcc/2. Asumiendo además que sea aproximadamente sinusoidal (lo cual no es muy desacertado dada la forma de generar la forma glotal de Rothenberg [22]) puede inferirse que la máxima pendiente negativa sea aproximadamente: 0.03 Vcc π fm. (5). Donde fm es la frecuencia de la moduladora (la señal de interés). Asumiendo la mayor frecuencia de vibración de las cuerdas vocales de 800Hz, dicha pendiente es de 904.32 V/Seg. Sustituyendo ese valor en (2), se llega a que la constante RC es de 0.01Seg. En la figura se muestra el detector por envolvente con los valores utilizados en el diseño..

(45) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 33. Figura 2.7.Detector por envolvente con valores reales de diseño.. 2.4 Postprocesamiento. El objetivo de esta etapa es la eliminación del nivel DC presente en la señal y la reducción del rizado que aparece a la salida del detector El circuito más sencillo para este fin es un pasabandas .La banda de interés contiene el rango de las frecuencias de vibración de las cuerdas vocales por lo que se fijó entre 100 y 800Hz. La frecuencia de corte inferior se fijó de manera que se rechazara la interferencia de la señal de línea a 60Hz, y quedara por debajo de las frecuencias fundamentales más graves (medias de 116Hz para el caso de los hombres). El filtro se diseñó en el software Filter Pro de Texas Intruments,[42] que brinda múltiples opciones para configurar filtros. El filtro diseñado es Sallen-Key con aproximante de Butterworth para lograr una respuesta plana en la banda de paso, y por último la impedancia de entrada es de 150Ω. En la Figura 2.8 se puede observar el diseño del filtro para la etapa pasa alto y en la Figura 2.9 se puede ver el diseño del filtro para la etapa pasa bajo.. Figura 2.8.Filtro pasa banda para filtrar la señal (etapa pasa alto)..

(46) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 34. Figura 2.9. Filtro pasa banda para filtrar la señal (etapa pasa bajo).. Es necesario adecuar el nivel de la señal a la salida del filtro para ser adquirida por la entrada de audio de la PC que tiene un rango de ~1Vrms de amplitud [43, 44]. Esto se realiza con el objetivo de que la señal abarque todo el rango dinámico del convertido análogo digital. 2.5 Visualización. La visualización definitiva del sistema será a través de un software en la PC que aún se encuentra en fase de diseño. De manera preliminar y se emplearon dos opciones: Osciloscopio Tectronix DPO 3014: Este es un osciloscopio con muestreo digital a 2.5 gigamuestras / segundo lo cual permite analizar detalladamente las señales involucradas en este trabajo, incluyendo onda moduladora en amplitud. El osciloscopio brinda facilidades de exportar tanto las imágenes en pantalla (hacia ficheros BMP, Tiff o PNG) como la propia señal adquirida (en un formato propio de Tectronix, con extensión ISF). PC: Para la visualización en la PC se pueden emplear como entradas dos opciones. Una sería la entrada analógica de audio con rango dinámico de ~1Vrms [43, 44]y frecuencia de muestreo de hasta 192kS/seg. Otra opción sería la carga del fichero obtenido del Tectronix .Esta última resulta la más atractiva puesto que permite analizar la señal con toda su composición de frecuencias en un sistema de procesamiento de análisis como el Matlab. La adquisición por la entrada de audio con una frecuencia de muestreo máxima de 192kS/s limitaría los análisis a frecuencias por debajo de 96kHz..

(47) CAPÍTULO 2. Sistema Propuesto.. 35. 2.6 Conclusiones del capítulo. De forma general se escogieron las configuraciones circuitales más sencillas para cada bloque. El sistema quedó conformado por un generador de onda cuadrada en configuración Schmitt Trigger a 250kHz.El demodulador seleccionado fue el de envolvente a diodos, y un filtrado pasabandas como postprocesamiento. Las señales reales quedaron disponibles para su análisis en la PC..

(48) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. CAPÍTULO 3.. 36. Resultados y Discusión.. En este capítulo se muestran los resultados simulados y reales de los bloques diseñados y se analiza cuán adecuado es su funcionamiento así como alternativas para mejorar los resultados.. 3.1 Simulaciones. A continuación se realizó una simulación general del todo el circuito empleando como señal moduladora la fuente de voz implementada por Rothenberg [22] (bloque 1 en la figura) y como portadora la señal del generador Schmitt Trigger diseñado en el Capítulo 2 (bloque 2 en la figura). A la salida de generador de fuente de voz se colocó un atenuador para disminuir el voltaje (bloque 3 en la figura) y luego la función del bloque 4 es montar la señal en un nivel DC. Esas dos señales se multiplican (bloque 5 en la figura) y luego se pasan por el detector de envolvente (bloque 6) y el filtro (bloque 7), diseñados en el capítulo 2. El resultado de esta configuración se muestra en la Error! Reference source not found. (primera parte) y en la Figura 3.1 (segunda parte)..

(49) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. R6. V2 12 V. R7. 10kΩ 5%. 37. 10kΩ 5% U1A 4 3 1 11. 2. TL084ACD C1. R8 5kΩ 5%. 150pF. V3 12 V. 2 D1. A3. Y X. 5. R3. D2. 1kΩ 5%. 1N4148. C2 100nF. R9 100kΩ OffPage1. 6. R5. R1. 10kΩ 5%. V6. 1N1202C. 100mV/V 0 V. 33kΩ 5%. C5. 3 Vrms 300 Hz 0°. 47nF 5%. R4. R2. 1kΩ 5%. 1kΩ 5%. D3 1N4148. OffPage2. V1 5V V5 2V. 3. 1. 4. V4 12 V. C10. OffPage1. 4.7nF 5%. 56kΩ 5% C8. C9. U4A 4 3. 68nF 5%. V8 12 V. R14. 10nF 5% R15. R16. R17. 33kΩ 5%. 270kΩ 5%. 1 2. Ext Trig +. U5A 4. _. 3. B. A. 1 2. +. _. +. _. 11. TL084ACN. 11. TL084ACN. 270kΩ 5%. XSC2. C11 1nF 5%. V7 12 V. V9 12 V. 7 OffPage2. Figura 3.1. Circuito para la recuperación de la señal moduladora (segunda parte).. En la siguiente Figura se puede observar la simulación de las dos señales, la señal moduladora y la señal recuperada..

(50) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. Señal moduladora. 38. Señal recuperada. Figura 3.2. Señal moduladora y señal recuperada.. En la figura anterior se puede ver que la señal recuperada sigue bastante fielmente la original excepto en su parte inferior donde el segmento relativamente plano es distorsionado por la supresión de las bajas frecuencias del filtro pasabandas. Una alternativa para reducir este efecto puede ser bajar la frecuencia de corte inferior del filtro pero se incluiría la interferencia de la línea de 60Hz, por lo que se requeriría introducir un filtro Notch adicionalmente. Esto puede adicionarse en versiones posteriores.. 3.2 Montaje físico Los circuitos diseñados se montaron en un tablero universal DAC-457000, quedando como se muestra en la figura:.

(51) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 39. Electrodos. Convertidor V-I Oscilador. Filtro Pasa Banda Atenuador. Detector. r Filtro para generar onda sinusoidal.. Figura 3.3.Montaje real del circuito.. 3.3 Resultados de la variante V-I. A continuación se presentan los resultados obtenidos a partir de las configuraciones diseñadas para esta variante, primeramente se comprueba el correcto funcionamiento del circuito y posteriormente se presentan y analizan los resultados obtenidos. Se comienza por el detector de envolvente, ya que el correcto funcionamiento del generador ya se mostró en el Capítulo 2.. 3.3.1 Resultados del detector. En este epígrafe se analiza el funcionamiento del circuito antes y después del detector por envolvente. Primero se verificó la sensibilidad del circuito al cambio de impedancia entre los electrodos. Esto se realizó presionando los electrodos, uno en cada mano, entre los dedos índice y pulgar. Con el aumento de presión se verificó el aumento de la amplitud de las oscilaciones en la resistencia de sensado, debido a la reducción de la impedancia entre los electrodos..

(52) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 40. Figura 3.4.Variación del voltaje mientras se presionan los electrodos.. A continuación se pasó a comprobar el funcionamiento del demodulador, de manera que detectara los picos de la señal montándola en un nivel DC. Se comprobó que a medida que los electrodos se presionan aumenta el nivel DC de la señal, lo cual se muestra en la Figura 3.5.. Figura 3.5.Variación de voltaje a la salida del demodulador al presionar los electrodos.. Estos resultados demuestran que el circuito montado puede sensar correctamente cambios de impedancia entre los electrodos. 3.1.2. Resultados del filtro.. A continuación se muestra la señal a la salida del filtro (bloque 7 de la Figura 3.1) obtenida de un sujeto adulto masculino..

(53) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 41. Figura 3.6.Señal filtrada.. Como puede apreciarse, la señal obtenida queda con un elevado nivel de ruido, que no permite definir si la señal EGG está presente o no. Se realizó un análisis espectral para verificar que la señal electroglotográfica estuviese presente en la señal filtrada. La señal adquirida con el osciloscopio Tektronix (a 25 kHz de frecuencia de muestreo, 10000 muestras) se analizó en el MatLab por medio del períodograma de Welch. En la Figura 3.7 se muestra dicho análisis espectral. A la derecha se muestra una ampliación de la región por debajo de los 2 kHz, donde se observan el primero y el segundo armónicos de una frecuencia fundamental de aproximadamente 142 Hz, lo cual es consistente con un sujeto masculino. Otro aspecto favorable es el descenso de amplitud de los armónicos, lo cual es característico de las formas de onda glotales. De este análisis se puede concluir que la señal electroglotográfica está presente a la salida del filtro, aunque la contaminación con ruido sea considerable. Power Spectral Density Estimate via Welch -25. -30. -30. -35. -35 Power/frequency (dB/Hz). Power/frequency (dB/Hz). Power Spectral Density Estimate via Welch -25. -40. -45. -50. -40. -45. -50. -55. -55 -60. 0. 2. 4. 6 Frequency (kHz). 8. 10. 12. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8 1 1.2 Frequency (kHz). 1.4. 1.6. 1.8. 2. Figura 3.7.Análisis espectral de la señal obtenida utilizando periodograma de Welch. Izquierda: intervalo completo de frecuencias, Derecha: de cero a 500 Hz..

Figure

Figura 1.2.Forma de onda del ciclo glotal (tomado de[22]).
Figura 1.4.Formas de ondas representativas de corriente, impedancia y voltaje en el caso de  aplicar corriente constante
Figura 1.6. Representación de las resistencias presentes en la medición de impedancia  glotográfica
Figura 1.7.Señal electroglotográfica.
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Referencias

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