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Elementos de
física aplicados a
la Audiología
Apunte año 2012
Usuario Dra. Susana Blanco
[email protected]
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INDICE
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO 1: Elementos matemáticos básicos
Introducción básica de matemática: Notación exponencial, logaritmos
Revisión de unidades: Unidades relacionadas con la audiología.
CAPÍTULO 2: Física del Sonido
Física del sonido: ondas, propagación, características de los medios de propagación, suma de
ondas, superposición e interferencia, fenómeno de resonancia, sonido en 3D. Trasmisión en
cavidades.
CAPÍTULO 3: Transformadas tiempo y frecuencia
Señales biológicas analizadas en el tiempo y en el campo de la frecuencia, señales contínuas y
discretas, Transformada de Fourier y sus características, frecuencias de muestreo, frecuencia de
Nyquist, fenómeno de aliasing.
Características de la estimulación sonora sus características frecuenciales y sus efectos
respecto al modelo coclear (clicks, pips, tonos puros, ruido blanco, ruido coloreado).
CAPÍTULO 4: Electrónica básica
Potenciales evocados, estímulo y respuesta. Concepto de sincronización
Electrodos, su problemática. Interferencias y ruido. Adaptación de impedancias.
Concepto de filtros
CAPÍTULO 5: La física de la Audición
El oído pensado físicamente, oído externo, oído medio, modelo coclear tonal. Concepto de
trasducción
Elementos de la percepción sonora y su correlación biológica, apantallamiento, localización, el
valor de la fase.
Problemas acústicos ambientales, ruidos y señales no deseadas.
CAPÍTULO 6: Instrumentación en audiología
Decibelímetros;
Audiómetros. Vibrotáctiles. Audífonos. Implantes cocleares y de tronco
encefálico. Equipo de otoemisiones acústicas. Equipos de potenciales evocados. Conceptos de
la física involucrada en estos equipos.
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INTRODUCCION
Queremos presentar a los estudiantes, aunque de manera introductoria todos
aquellos elementos del sonido y sus características físicas relacionadas con su propagación en
diferentes medios, considerándolo como una señal para abarcarlo en todos sus aspectos.
Lo analizaremos como una señal de estímulo y conoceremos las formas de generarla
y caracterizarla.
Analizaremos también señales biológicas cuya captación será necesaria en la
evaluación auditiva y nos centraremos en sus características y tratamiento posterior.
Finalmente haremos una revisión conceptual de los elementos físicos y electrónicos
del equipamiento vinculado a la fonoaudiología.
Este curso está destinado a proveer de los elementos de física y matemática
necesarios para comprender el apasionante mundo del estudio de la audición y su aparatología.
Lo haremos de manera esencialmente conceptual, sin embargo algunas ideas de
matemática y física dura serán necesarios para no perdernos en los desarrollos y para
eventualmente ser capaces de comprender manuales de equipos y textos de mayor nivel.
Nuestra idea es que los que lean este apunte obtengan los elementos para conocer
sus equipos de diagnóstico y terapia, los principios en los que basan su funcionamiento y
dispongan de los conocimientos básicos para comprender los manuales y establecer diferencias
importantes
entre
diferentes
prestaciones.
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CAPITULO 1
Elementos matemáticos básicos
NOTACIÓN EXPONENCIAL
Cuando los números que queremos expresar tienen demasiados ceros y son largos o difíciles de
manejar incorporamos una notación simbólica que nos permite trabajar con más comodidad.
Muchas unidades también se expresan con ayuda de este tipo de notación y por lo tanto
debemos manejarla.
Sabemos que
X0 = 1 cualquiera sea X, siempre que X≠ 0.
X1 = X cualquiera sea X.
Por lo tanto
100 = 1
101 = 10
102 = 100
103 = 1000
Esto nos permite por ejemplo escribir
1000000000 = 109
Observar que el exponente es igual al número de ceros
Otro ejemplo
5750000 = 575 x 104 = 5,75 x 106
Podemos recordar también que un número elevado a una potencia negativa sufre la siguiente
transformación:
X-3 =
Teniendo esto en mente
10 -1 =
= 0,1
El exponente es igual al número de lugares después de la coma
Otros ejemplos
10 -7 =
= 0,0000001
0,0007 = 7 x 10-4
4
0,00456 = 4,56 x 10-3
Se designa estrictamente como notación exponencial a la forma que deja una cifra significativa
antes de la coma.
LOGARITMOS
El logaritmo de un número es una función que cumple la siguiente propiedad:
logb x = n ↔ x = bn
(b≠1, b>0), (x>0) y n € Re
Vemos que en la expresión tenemos 3 elementos, el número al que le tomamos su logaritmo, la
base en la que estamos trabajando y el resultado.
En general el logaritmo con el que trabajaremos es en base 10.
Además de la utilidad en el cálculo, los logaritmos también ocuparon un importante lugar en las
matemáticas más avanzadas.
Los logaritmos poseen propiedades aritméticas muy útiles a la hora de realizar cálculos:
El logaritmo de un producto es igual a la suma de los logaritmos de los factores.
El logaritmo de un cociente es igual al logaritmo del numerador menos el logaritmo del
denominador.
El logaritmo de una potencia es igual al producto entre el exponente y el logaritmo de la base de
la potencia.
El logaritmo de una raíz es igual al producto entre la inversa del índice y el logaritmo del
radicando.
FUNCIONES TRIGONOMÉTRICAS
Las Funciones trigonométricas se definen comúnmente como el cociente entre dos lados de
un triángulo rectángulo asociado a sus ángulos. Las funciones trigonométricas son funciones
cuyos valores son extensiones del concepto de razón trigonométrica en un triángulo rectángulo
trazado en una circunferencia unitaria (de radio unidad).
Las funciones trigonométricas que vamos a usar son:
Función
Seno
Coseno
Tangente
0°
0
1
0
30°
1/2
√3/2
√3/3
45°
√2/2
√2/2
1
60°
√3/2
1/2
√3
90°
1
0
∞
5
Estos valores de los argumentos de las funciones trigonométricas están expresados en grados
sexagesimales. Lo más común en nuestro trabajo con ondas será usar los ángulos expresados
en radianes.
El ángulo formado por dos radios de una circunferencia, medido en radianes, es igual a la
longitud del arco que delimitan los radios; es decir, θ = s /r, donde θ es el ángulo expresado en
radianes, s la longitud del arco, y r es el radio. Por tanto, el ángulo completo, que subtiende
una circunferencia de radio r, medido en radianes, es:
El radián es una relación sumamente útil para medir ángulos, puesto que simplifica los cálculos,
ya que los más comunes se expresan mediante sencillos múltiplos o divisores de π. Por otra
parte si observamos la definición vemos que el radían es el nombre de una relación no una
unidad propiamente dicha.
L
r
θ
El número π que surge de esta relación es un número irracional tal que
Π = 3,1416……
Para los ángulos más conocidos su valores en radianes son los siguientes
Ángulo en grados sexagesimales
0
90
360
Ángulo en radianes
0
π/2
2π
Unidades fundamentales
Hay tres sistemas que son los más utilizados para establecer las unidades de todos las
magnitudes físicas que podemos medir.
Ellos son el sistema cgs y el sistema MKS y el Técnico .
El sistema Internacional, es un cuarto sistema que reúne algunas unidades derivadas con las
básicas del MKS y del técnico.
cgs:
MKS:
Técnico:
centímetro, gramo masa, segundo
metro, kilogramo masa, segundo
metro, Kilogramo fuerza, segundo
La relación entre el Kg masa y el Kg fuerza es la siguiente
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1Kgf = 1Kgm X 9.8 m/s2
Donde 9.8 m/s2 es la aceleración de la gravedad.
A partir de estas unidades se derivan todas las demás
Algunas unidades del Sistema Internacional
Magnitud física básica
Símbolo dimensional
Unidad básica
Símbolo de la unidad
Longitud
L
metro
m
Tiempo
T
segundo
s
Masa
M
kilogramo
kg
Intensidad de corriente eléctrica
I
amperio
A
Fuerza
F
Newton
N
Potencia
P
Watt
W
Presión
p
Pascal
Pa
Temperatura
Θ
kelvin
K
Cantidad de sustancia
M
mol
mol
Intensidad luminosa
J
candela
cd
Veamos cuáles son las unidades que más vamos a utilizar en nuestro campo de estudio.
POTENCIA
Está relacionada con la velocidad del cambio de la energía
Potencia del sonido
La potencia acústica viene determinada por la propia amplitud de la onda, pues cuanto mayor
sea la amplitud de la onda, mayor es la cantidad de energía (potencia acústica) que genera.
La potencia acústica es un valor intrínseco de la fuente y no depende del local donde se halle, el
valor no varia por estar en un local reverberante o en uno seco.
La medición de la potencia puede hacerse a cierta distancia de la fuente, midiendo la presión
que las ondas inducen en el medio de propagación. Se utilizará como unidad de presión el
pascal.
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El pascal (símbolo Pa) es la unidad de presión del Sistema Internacional de Unidades. Se define
como la presión que ejerce una fuerza de 1 Newton (Un Newton es Kg m/s2) sobre una superficie
de 1 metro cuadrado normal a la misma.
Equivale a 10–5 bares, y a 9,86923·10–6 atmósferas.
Para abarcar un rango de potencias grande, sin necesidad de tantos 0 se usa el logaritmo
Resulta entonces que el nivel de potencia se calcula como
dónde W 1 es la potencia a estudiar, y W 0 es la potencia umbral de audición, que expresada en
unidades del SI, equivale a 10 − 12 vatios. La unidad para medir este sonido sería el belio (o Bel)
(B), pero como es una unidad muy grande, se utiliza normalmente su submúltiplo,
el decibelio (dB), por lo que para obtener el resultado directamente habría que multiplicar el
segundo término de la fórmula por 10.
Para sumar sonidos no es correcto sumar los valores de los niveles de potencia o de presión:
han de sumarse las potencias o las presiones que los originan. Así, dos fuentes de sonido de
21 dB no dan 42 dB sino 24 dB.
Lw = 10. log (W1+W1)/ W0 = 10 . log (2. W1/ W0) = 10* (log2 + log(W1/ W0)) = 10*log(2) + 21 =
3,01 + 21 = 24 dB
Intensidad del sonido
[I] = [P] / [A] = W/m2 (Watio por m2).
El oído humano es capaz de detectar sonidos de hasta 10-12 W/m². Un sonido de 10-12 W/m²
produce ya sensación dolorosa. Esta gran amplitud entre los sonidos que el ser humano capta
obliga a utilizar una medida de tipo referencial. Logarítmica y no lineal. Se utiliza el umbral de
audición de 10-12 W/m² y se lo compara utilizando el logaritmo.
Bdb es la intensidad en deciBelios I es la intensidad que se compara con I0 que corresponde al
umbral.
El oído humano no percibe igual las distintas frecuencias y alcanza el máximo de percepción en
las medias, de ahí que para aproximar más la unidad a la realidad auditiva, se ponderen las
unidades (para ello se utilizan las llamadas curvas isofónicas).
Por este motivo se definió el decibelio A (dBA), una unidad de nivel sonoro medido con un filtro
previo que quita parte de las bajas y las muy altas frecuencias. De esta manera, después de la
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medición se filtra el sonido para conservar solamente las frecuencias más dañinas para el oído,
razón por la cual la exposición medida en dBA es un buen indicador del riesgo auditivo y vital.
Hay además otras unidades ponderadas, como dBC, dBD, adecuadas para medir la reacción del
oído ante distintos niveles de sonoridad.
Unidades basadas en el decibelio
Como el decibelio es adimensional y relativo, para medir valores absolutos se necesita
especificar a qué unidades está referida la medida:

dBSPL: Hace referencia al nivel de presión sonora. Es la medida, por ejemplo, usada para
referirse a ganancia o atenuación de volumen. Para sonido en el aire, toma como unidad de
referencia 20 micropascal.

dBW: La W indica que el decibelio hace referencia a vatios. Es decir, se toma como
referencia 1 W (vatio). Así, a un vatio le corresponden 0 dBW.

dBm: Cuando el valor expresado en vatios es muy pequeño, se usa el milivatio (mW).
Así, a un mW le corresponden 0 dBm.

dBu: El dBu expresa el nivel de señal en decibelios y referido a 0,7746 voltios
.
0,7746 V es la tensión que aplicada a una impedancia de 600 Ω, desarrolla una potencia de
1 mW. Se emplea la referencia de una impedancia de 600 Ω por razones históricas. En
algunos casos (especialmente en telecomunicaciones), al medir niveles relativos en
decibelios, se da un nombre específico a la unidad, dependiendo del tipo de medida.

dBc: Nivel relativo entre una señal portadora (carrier) y alguno de sus armónicos.

dBi: Decibelios medidos con respecto a una antena isotrópica.
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
dBd: Decibelios medidos con respecto a una antena dipolo. Está 2,15 dB por encima del
radiador isotrópico.

dBSL (por sensation level) habilidad de un individuo para oír un sonido

dBHL (por hearing level) habilidad promedio para oír un sonido

dBnHL mismo concepto que el anterior pero con una población menor
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CAPÍTULO 2
Física del sonido
El sonido es una perturbación que se propaga a través de un medio elástico que la sustente.
Esta perturbación tiene la forma de una onda de presión. En general nosotros nos referiremos a
las ondas que se propagan en el aire, aunque no siempre será así y tendremos, más adelante,
que considerar la trasmisión ósea.
Es importante enfatizar que el aire no se mueve de un lugar a otro junto con el sonido. Hay
trasmisión de energía pero no traslado de materia. Esta condición es característica de las ondas
elásticas. Para que la onda sonora se propague en un medio este debe ser elástico (tratar de
volver a la posición inicial), tener masa( lo que agregará disipación) e inercia (tiende a contener
el estado de movimiento).
Solamente para el aire son válidas las siguientes afirmaciones



La propagación es lineal (en el intervalo de sonidos audibles la aproximación es válida).
Esto permite que diferentes ondas sonoras se propaguen por el mismo espacio al mismo
tiempo sin afectarse.
El medio es no dispersivo. Las ondas se propagan a la misma velocidad
independientemente de su frecuencia o amplitud.
El medio es homogéneo. No existen direcciones de propagación privilegiadas por lo que
el sonido se propaga esféricamente (en todas direcciones).
La velocidad del sonido en el aire es de 343.2 m/s (a 20 °C de temperatura), 1400 m/s en el
agua y aproximadamente 1900 m/s en medio sólido. En estos dos casos ya no velen las
propiedades antes mencionadas
Reveamos la ecuación de la velocidad del sonido en un medio material
V= √(B/ρ)
donde ρ es la densidad del medio en equilibrio y B es el llamado módulo de compresibilidad.
En el caso de gases B = P donde g es la razón entre los calores específicos del gas a presión y
volumen constante (condiciones adiabáticas) y P es la presión.
V= √ P/ρ)
En el caso de un sólido B es remplazado por el módulo de compresibilidad de Young.
Tabla de densidades y módulos de compresibilidad
Elemento
( kg/m3)
B (kg/m s2)
Aire
1.2
1.3 105
Agua
103
2.2 109
11
Hueso
1.6 103
1.8 1010
Intensidad del sonido

LA INTENSIDAD DE UNA ONDA ES LA ENERGÍA QUE TRANSPORTA DICHA ONDA
EN UNIDAD DE AREA Y UNIDAD DE TIEMPO.
I
E
A.t
I
J
Las unidades
m2  s
Conducción ósea
La conducción aérea es una forma efectiva de estimular la cóclea. La energía es amplificada por
tres factores
1) Las propiedades de resonancia del canal auditivo
2) La relación de las ventanas timpánica y oval
3) La acción de palanca de la cadena de huesecillos
La trasmisión del sonido a la cóclea no está debidamente establecido se sugieren tres posibles
mecanismos
1) Conducción inercial ósea. El hueso, incluyendo el recubrimiento coclear , al vibrar
produce la vibración de los huesecillos una consiguiente movilización de los
fluidos cocleares
2) Las vibraciones del hueso hacen vibrar la cobertura ósea de la cóclea y producen
ondas viajeras en su interior
3) Se generan ondas en el canal auditivo que llegan a la cóclea por los mecanismos
anteriores.
Si bien la estimulación ósea se puede efectuar en cualquier lugar de la cabeza, se hace en el
hueso mastoideo o en el hueso frontal. La ubicación frontal produce umbrales más creíbles.
En general las latencias en los potenciales evocados son menores para la conducción ósea.
El sonido y sus características ondulatorias
En las ondas longitudinales el desplazamiento de las partículas es paralelo a la dirección de
propagación, mientras que en las ondas transversales es perpendicular. Las ondas sonoras son
longitudinales. En muchos instrumentos (como en la vibración de una cuerda) podemos
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identificar ondas transversales (así como en la membrana basilar dentro de la cóclea, en el oído
interno).
El campo sonoro en el que nosotros estamos inmersos está constituido por una adición de ondas
que provienen de diferentes fuentes. Pero como son válidas las propiedades anteriormente
mencionadas podemos hacer la simplificación en principio de analizar una onda solamente.
Una forma de visualizar las ondas en forma más práctica es a partir de un desplazamiento hacia
arriba o abajo del punto de equilibrio. Algo como esto:
λ
A
V(m/s)
La flecha indica la dirección de propagación con velocidad v en unidades de m/s. λ se conoce
como la longitud de onda que caracteriza a cada sonido y es la longitud entre dos punto de
equilibrio consecutivos cortados en el mismo sentido. El tiempo que la perturbación tarda en
recorrerse esa distancia se conoce como período y se lo suele indicar T.
Todos estaremos de acuerdo con que la longitud y el tiempo son las unidades más naturales
para medir algo, sin embargo no lo son en acústica. Aquí nosotros utilizamos la frecuencia,
puesto que la velocidad determina la otra dimensión y es conocida para nosotros.
Sabemos de la mecánica clásica que
Espacio = velocidad * tiempo
Para nosotros será:
 = Vs * T esto puede escribirse también como 1/T = Vs/ es conocido como frecuencia
que es la magnitud que nosotros más conocemos. Su unidad es [1/s] = Hz.
Escribimos entonces f = Vs/ 
Algunos valores significativos para nosotros, los podemos calcular.
Frecuencia (f)
20
500
1000
4000
10000
m
17
0,68
0,34
0,085
0,034
La longitud de onda tendrá valor importante cuando hablemos de las dimensiones de los
conductos o los lugares en donde podamos tratar de ‘encerrar el sonido’.
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Para operar con las ondas la matemática cuenta con un grupo de funciones que resultan
prácticas y manejables.
Una onda simple, de una sola frecuencia puede escribirse como:
Y = A* cos ( 2πf * t )
Observando el dibujo de la figura 1 y pensando que salimos desde 0 tenemos
A * cos(2πf * 0) = A*cos(0) = 0
A* cos(2πf * T/4) = A* cos(π/2) = A* 1 = A
Y así podemos seguir.
Si queremos comenzar a medir el tiempo a partir de otro momento que no sea el 0, agregamos
un término a nuestra función de onda que llamaremos fase (φ), de la siguiente manera:
Y = Y = A* cos( 2πf * t + φ )
Cuando analicemos las señales de potenciales evocados y su sincronización con el estímulo, la
comprensión de este término nos será de gran ayuda.
Si ahora nosotros queremos superponer sonidos podemos hacerlo simplemente sumando las
ondas, sin embargo y por su carácter mismo de ondas esto dará lugar a algunos fenómenos
interesantes.

Suma de dos ondas iguales en fase y frecuencia:
Y=A* sen( 2πf * t ) + B* sen( 2πf * t ) = (A +B)* sen( 2πf * t ).
O sea una onda que es la suma de las anteriores en su intensidad.

Suma de dos ondas que están retrasadas una respecto a la otra en medio T
t = T/2 ↔ φ = π
Y= A* (sen( 2πf * t ) + sen(2πf * t + π)) = A* (sen( 2πf * t ) + sen(- 2πf * t )) ) =
= A* (sen( 2πf * t ) - sen( 2πf * t )) ) = 0
O sea que ambas ondas se suman en forma destructiva.

Suma de ondas de frecuencias diferentes muy cercanas
Y = A* (sen( 2πf1 * t ) + sen(2πf2 * t + π))
Si ahora empleamos la identidad trigonométrica
senx1 + senx2 = 2cos(1/2(x1-x2))*sen(1/2(x1+x2)) tendremos para nuestro caso
Y= 2 A*cos(1/2ft)* sen(fm*t) con fm=1/2(f1 +f2)
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El resultado será una onda con frecuencia fm y amplitud 2 A*cos(1/2ft)* o sea la amplitud
oscila también dando un sonido característico a batido
Las ondas se reflejan y se difractan. Veremos que significa esto último
Otra característica propia de las ondas es la difracción. Este fenómeno se produce cuando la
longitud de onda es mucho mayor que el orificio por dónde pasa el frente de onda
En este caso los bordes se convierten en nuevas fuentes del sonido y este se distorsiona al serle
agregadas ondas con diferente fase, que se sumarán como vimos anteriormente.
Las ondas también se reflejan cuando pasan de un medio a otro con diferentes características
físicas. Esto genera entonces tres ondas. La incidente, la reflejada y la trasmitida. Las dos
últimas ondas se reparten la energía de la oda incidente
Trasmisión del sonido y ondas estacionarias
Si confinamos las ondas en el espacio se producirán reflexiones en ambos extremos (estén
abiertos o no ya que estamos cambiando las características del medio) y por consiguiente habrá
ondas moviéndose en diferentes sentidos e interfiriendo de diferente manera unas con otras.
Existen frecuencias para las cuales el patrón de superposición da una onda estacionaria. Las
frecuencias a las cuales se produce este patrón se denominan frecuencias de resonancia.
La resonancia desde un punto de vista energético implica una óptima trasmisión de la energía.
Si consideramos un tubo cerrado en un extremo y con un pistón en el otro veremos cuales son
las ondas resonantes para este sistema
La longitud L del tubo debe contener un número entero de semi longitudes de onda así pues
L=n
donde n puede ser 1, 2, 3…..
Las frecuencias entonces serán fn =
=
Si en cambio uno de los extremos no está cerrado la condición de onda estacionaria es que
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L=
De aquí surgirá que
L=n
con n= 1, 2, 3, …..
OTRAS CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ONDULATORIO
Si dos instrumentos ejecutan la misma nota, por ejemplo un piano y un violín estas sonarán de
manera muy diferente ya diferirán en su ´timbre o cualidad’.
Esto se debe a que en sus cajas de resonancia se están produciendo armónicos diferentes.
Se conocen por armónicos a los múltiplos enteros de la frecuencia principal. Cuando veamos el
desarrollo de Fourier aprenderemos más sobre lo que significan.
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CAPÍTULO 3
Digitalización y Transformadas tiempo y frecuencia
Señales biológicas analizadas en el tiempo y en el campo de la frecuencia, señales contínuas y
discretas, Discretización, Transformada de Fourier y sus características, frecuencias de
muestreo, frecuencia de Nyquist, fenómeno de aliasing.
Características de la estimulación sonora sus características frecuenciales y sus efectos
respecto al modelo coclear (clicks, pips, tonos puros, ruido blanco, ruido coloreado).
Señales
Entendemos por una señal a aquella sucesión de valores medidos de una magnitud en el
tiempo. Toda señal debe brindarnos información.
En nuestra área nos limitaremos a considerar tres tipos señales.
4) Aquellas que nosotros generaremos para estimular el sentido del oído, esto será:
señales sonoras de diferente composición de frecuencias. En general
conoceremos esta composición y nuestro único problema será saber cómo
generarlas de manera que tengan la pureza deseada.
5) Las señales biológicas que eventualmente capturemos con nuestro equipamiento
y que deberán ser interpretadas y analizadas debidamente para extraer de ellas la
información deseada
6) El ruido. Llamaremos ruido a toda señal no deseada.
Sea cual sea el tipo de señal que nosotros debamos analizar, generar o evitar deberemos contar
con una herramienta ya sea electrónica o matemática.
En general existe una terminología sobre las señales que deberemos acordar previamente.
Una señal puede ser según su origen:
Aleatoria: si el valor que sigue en el tiempo no obedece a un proceso prefijado, o sea que
obedecerá más las leyes de la probabilidad que a una ley o proceso.
Determinística: Si proviene de un proceso físico o biológico determinado.
Estacionaria: Sus valores estarán acotados y sus valores medios en un período son iguales que
en otro cualquiera.
No estacionaria: Sus valores medios pueden fluctuar mucho en el tiempo
Periódica: Se repite en algún período.
No Periódica: Es una señal transitoria que no se repite.
Analicemos algunos ejemplos
Estimulo de 1 KHz a 30 dB SPL: Esta será una señal determinística, periódica y estacionaria.
Un click: Es una señal no periódica, estacionaria y determinística.
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El EEG: Es una señal no periódica, aleatoria (en un sentido muy amplio), no estacionaria.
Una señal no estacionaria puede aproximarse a una que sí lo sea, acotando por ejemplo el
tiempo en que la estudiamos.
Como vemos las señales biológicas tiene restricciones y dificultades dado que tenemos cierta
ignorancia sobre ellas y los procesos que las generan. En cambio no se nos ocurriría estimular
un sentido con fines diagnósticos si no conociéramos su composición exacta.
Está claro que cuando usemos una herramienta matemática para generar una señal lo haremos
de la mejor manera posible y esa señal tendrá las variaciones que nosotros deseemos. En
cambio para interpretar una señal biológica deberemos forzar la matemática y por lo tanto
hacer suposiciones que cuanto más apartadas de la realidad estén, mayor será el error que
cometamos cuando hagamos el análisis.
Desde su estructura trataremos con 2 tipos de señales:
Analógicas, x(t) : Amplitud y Tiempo continuos.
Digitales, xQ[n] : Tiempo y Amplitud discretos. ( n € N)
Ejemplo de una señal analógica: EEG, ECG
Ejemplo de una señal Digital: El EEG capturado por la computadora.
La matemática estudia las señales como funciones contínuas en el tiempo y sus desarrollos se
basan en este concepto. En la naturaleza las señales también son continuas.
La matemática y la computación nos plantean un inconveniente a la hora de operar con las
señales. No podemos trabajar con la computadora a menos que dispongamos de señales
digitales y debemos hacer reformulaciones matemáticas para poder usar algunos de los
algoritmos que funcionan idealmente en las señales continuas.
Si nos ponemos prácticos podemos afirmar que el conocimiento que nosotros tenemos de las
señales es discreto ya que no estamos permanentemente pendiente de una y solamente la
medimos a intervalos de tiempo regulares o no según de que se trate.
Digitalización
Digitalizar una señal significa muestrearla y cuantificarla a intervalos regulares. Lo hacemos para
que pueda ser procesada por la computadora.
Las dos características que tendremos en cuenta son la frecuencia de muestreo o sampling
(que no debemos confundir con la frecuencia del fenómeno estudiado) y la amplitud de la señal.
El muestreo consiste en medir la amplitud de la señal a intervalos regulares. Lo que sucede
entre esos intervalos será descartado y se perderá. Este punto de decisión es entonces crítico y
dependerá de la señal con que estemos tratando
A su vez para cuantificar la amplitud, debemos considerar la cantidad de valores discretos en los
que se puede dividir la amplitud de la señal sin cometer grandes errores. Esta cantidad de
valores discretos dependerá de la cantidad de bits que se usen en este proceso de
cuantificación. Se deben utilizar suficientes bits como para poder detectar pequeñas variaciones
en la señal.
Bit (Binary digit) . Es la mínima unidad de información empleada por la computadora.
Un bit representa solamente 2 valores 0 y 1. O sea prendido y apagado.
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Con 1 bit podemos dar solamente esta información. Con 2 bits en cambio tenemos 4 combinaciones posibles (0,0)
(0,1) (1,0) (1,1).
En general con n valore s de bits se pueden representar 2n valores diferentes.
Ejemplo
1024 = 210
El concepto de frecuencia de muestreo es el siguiente: para muestrear una señal se necesita
hacerlo a una frecuencia igual o mayor que el doble de la mayor frecuencia presente en la señal.
Esta frecuencia se conoce como la frecuencia de Nyquist. Pensemos en tiempos que es más
directo para nuestra forma de pensar.
Cuando cuantificamos la señal
agregado.
deberemos tener en cuenta además, el ruido que tiene
Ruido: Consideraremos ruido cualquier evento o señal indeseada a nuestro propósito. Al del
medio ambiente y de aliasing.
El ruido analógico es el que viene conjuntamente con la señal analógica y se debe al medio
exterior. Se lo representa con la relación señal ruido
SNR=
Como toda relación de potencias su unidad es el dB.
El ruido analógico indica el mínimo cambio significativo en la señal. No se puede eliminar. Es
nuestro ERROR
El ruido de cuantificación es el ruido de redondeo. Su error será ± ½ LSB (least significant bit).
Su desviación standard es 1/
LSB. O sea que el número de bits de cuantificación determina la
precisión de los datos. A mayor número de bits mejor precisión.
Si existen frecuencias mayores a la de Nyquist en la señal estas frecuencias se enmascararán
en frecuencias menores. Esto se puede evitar utilizando filtros.
Entonces debemos resolver dos cosas. La frecuencia de muestreo de nuestra señal y el número
de bits de digitalización
Por el teorema de Nyquist
Fs ≥ 2* max f de nuestro señal.
Para elegir la cantidad de bits de la información hay que tener en cuenta el ruido analógico y
deberá detectar la menor variación significativa de la señal no debida al ruido.
Si SNR = 30dB usamos 10 bits pues representan 1024 valores
En la práctica estos procesos son realizados por un circuito denominado Convertidor Analógico
Digital de n número de bits. (Actualmente hay CAD de hasta 32 bits)
Con estos elementos ya estamos en condiciones de aprender como generar estímulos y cómo
analizar las señales de respuesta.
Transformada de Fourier
La matemática desde hace ya mucho tiempo le debe al matemático francés Joseph Fourier
(1768-1830) una poderosa herramienta. La transformada de Fourier.
19
Qué dice de importante el teorema de Fourier:
Toda señal estacionaria, sin importar cuán complicada parezca, puede ser reconstruida como
una suma de sinusoides cuyas frecuencias son múltiplos enteros de una frecuencia fundamental,
eligiendo las amplitudes y fases apropiadas. Esta suma puede ser infinita.
¿Por qué se llama transformada? Porque nos permitirá transformar una visión del proceso que
observamos en el tiempo en otra visión del mismo proceso en sus frecuencias constitutivas.
Matemáticamente esto se escribe aproximadamente de la siguiente manera
X(f)
X(f) es nuestra transformada, n es el orden numérico de la frecuencia que constituye nuestra
señal y N es el numero total de datos.
Este teorema entre sus propiedades permite obtener la señal a partir del espectro utilizando una
transformada inversa.
Puesto que nosotros no podemos trabajar con series infinitas debemos realizar el corte en
alguna parte. El término de la sumatoria dónde cortemos definirá el error que cometemos en la
representación de la señal.
En la figura siguiente vemos una señal temporal que parece bastante desordenada. Aplicandole
la transformada de Fourier obtenemos una imagen totalmente diferente. Esta nueva
representación, de la misma señal, se denomina su espectro de frecuencias. Esta imagen nos
explica la señal de manera diferente, nos dice que frecuencias tienen las señales básicas que la
conforman.
20
Como podemos observar se trata de las frecuencias de 15, 40 Hz, tal como nosotros la
construimos.
Para calcular la transformada de Fourier de una señal se realiza una cuenta denominada
convolución que en esencia es un tipo de producto entre cada término de nuestra señal
muestreada con cada una de las funciones de Fourier que usemos en nuestro desarrollo. De
esta manera obtenemos los coeficientes que dan el peso de cada término de la sumatoria. Esta
cuenta que es bastante larga y complicada se ha simplificado mucho con el empleo de las
computadoras y con un algoritmo que se conoce como Transformada Rápida de Fourier que
acorta los tiempos de cálculo. Este algoritmo es debido a los matemáticos J. W. Cooley and J.
W. Tukey
Construcción de una señal
Para construir una señal en una computadora deberemos contar con un programa de cálculo. En
el mercado hay varios. También si sabemos programar podemos hacer un programa que opere
sobre algún compilador.
Aquí tenemos como ejemplo las instrucciones para construir una señal senoidal de 15 y 40 Hz
en MatLab. La señal de 40 Hz está desfasada 2 segundos respecto de la de 15Hz.
fs = 100;
t = 0:1/fs:10-1/fs;
x = (1.3)*sin(2*pi*15*t) ...
+ (1.7)*sin(2*pi*40*(t-2)) ...
% Sample frequency (Hz)
% 10 sec sample
% 15 Hz component
% 40 Hz component
Podemos también sumarle ruido a esta señal agregando un término más a la suma
Construcción de una señal ruidosa
fs = 100;
t = 0:1/fs:10-1/fs;
x = (1.3)*sin(2*pi*15*t) ...
+ (1.7)*sin(2*pi*40*(t-2)) ...
% + (2.5)*randn(size(t));
% Sample frequency (Hz)
% 10 sec sample
% 15 Hz component
% 40 Hz component
% Gaussian noise;
21
Señal ruidosa de frecuencias de 15 y 40 Hz
Si usando esta señal como base le aplicamos la transformada de Fourier obtendremos el
periodograma siguiente que como vemos tiene mas pasto en su base, esas frecuencias de
pequeña amplitud constituyen el espectro del ruido agregado
22
Como vemos hasta aquí cualquier señal puede ser escrita como una sucesión de senos de
diferentes frecuencias con la fase y la amplitud correspondiente.
Vimos entonces de acuerdo a lo que analizamos anteriormente en la digitalización que si en
nuestra señal había frecuencias más altas que la de Nyquist, íbamos a tener errores en la
reproducción de nuestra señal.
Un fenómeno similar lo podemos ver con la transformada de Fourier que nos ayudará a
ejemplificar el fenómeno de aliasing.
Construyamos una nueva señal
fs = 100;
t = 0:1/fs:10-1/fs;
x = (1.3)*sin(2*pi*15*t) ...
+ (1.7)*sin(2*pi*40*(t-2)) ...
+ (1.3)* sin(2*pi*90*(t-2)) ;
% Sample frequency (Hz)
% 10 sec sample
% 15 Hz component
% 40 Hz component
% 90 Hz component
Fijémonos que la frecuencia de muestreo es 100 y en la señal construida tenemos una
frecuencia de 90 que queremos detectar. Con esa frecuencia de muestreo no cumpliremos con
el teorema de Nyquist.
Veamos
ahora
si
hacemos
la
Transformada
de
Fourier
qué
es
lo
que
obtenemos
Aparecen otras frecuencias no deseadas que se deben a un fenómeno que se explica mejor en
esta figura.
23
Cambiemos ahora la frecuencia de muestreo para la misma señal y veamos que pasa al repetir
la transformada de Fourier
fs = 200;
t = 0:1/fs:10-1/fs;
x = (1.3)*sin(2*pi*15*t) ...
+ (1.7)*sin(2*pi*40*(t-2)) ...
+ (1.3)* sin(2*pi*90*(t-2)) ;
% Sample frequency (Hz)
% 10 sec sample
% 15 Hz component
% 40 Hz component
% 90 Hz component
24
Ahora le representación es correcta.
Lo que debe quedar claro hasta aquí es que:
Cualquier serie se puede representar como una serie de senos con las frecuencias, amplitudes y
fases apropiadas. La longitud y el número de frecuencias que emplee dependerán de la
morfología de la señal. Si es periódica me bastará con una sola frecuencia.
Wavelets y otras Transformadas
Sin embargo no es lo mismo para el análisis de la señal. No siempre podremos hacer un análisis
correcto de las señales que midamos utilizando solamente la transformada de Fourier.
Tomemos por ejemplo la siguiente señal. Si hiciéramos una transformada de Fourier de la misma
obtendríamos un espectro con dos picos El primero correspondiente a la frecuencia más baja y
el segundo a la más alta
Lo que no obtendríamos sería información sobre en qué momento actuó cada una de las
frecuencias.
P
25
Haciendo uso de la transformada wavelet podemos obtener ambas informaciones al mismo
tiempo, pero en una forma visualmente mucho más compleja y en varios gráficos.
No entraremos en detalles sobre la transformada wavelet. Solo diremos que las señales siempre
se podrán desarrollar en una serie de funciones wavelet. Estas funciones no son senos ni
coseno sino funciones más complejas y que pueden ser adaptadas a cada problema
Estímulos empleados en audiología
En esta sección describiremos las características frecuenciales de los estímulos más
comúnmente empleados en audiología
1.
2.
3.
4.
5.
Tonos Puros
Clicks
Tonos para potenciales evocados
Ruido Blanco
Ruido coloreado
26
1) Tonos puros: En este caso tendremos una señal continua de un tono puro cuyo espectro
será el ya conocido para este caso. Es el que se utiliza en audiometrías y en potenciales
evocados de estado estable y en otoemisiones acústicas por producto de distorsión.
2) El click, que se utiliza para estimular en el caso de potenciales evocados de corta latencia
(BERA). Se trata de una señal de corta duración y multifrecuencial. En la figura podemos
observar algunas formas de estímulos clicks y sus correspondientes espectros.
Tonos
para potenciales evocados tipo pips
Ruidos blanco y coloreados (ejemplos)
puros
27
Ejemplo de ruido blanco con su espectro
Espectros correspondientes a Ruido Rosa y Ruido Marón
28
CAPÍTULO 4: Electrónica básica Interferencias y ruido externo Amplificadores, filtros.
Adaptación de impedancias. Trasductores. Concepto de filtros. La problemática de los
electrodos.
Conceptos básicos de electricidad:
Elementos de un circuito.
En todo circuito, ante la aplicación de una diferencia de potencial (V) en un conductor,
obtenemos una corriente (I). Existe siempre una resistencia al paso de la corriente, esta puede
ser pasiva (resistencia) o activa (Capacitores o inductancias) y reciben el nombre genérico de
impedancias (Z).
La tensión puede ser continua o alterna y así responderá entonces la corriente.
La corriente al pasar por una resistencia no modificará su fase respecto a la tensión. En el caso
de los capacitores que almacenan energía en forma de campos eléctricos, la I se desfasa de la
V, adelantándose en π/2.
Las inductancias por el contrario, almacenan energía en la forma de campos magnéticos y la I se
atrasa respecto de la corriente en π/2.
Otros elementos más sofisticados que los anteriores son los transistores que pueden operar
como amplificadores, rectificadores, osciladores, conmutadores, según sea la forma en que se
los conecte.
Aún más moderna es una combinación de estos elementos integrada en una pequeña unidad,
llamada chip, microchip o circuito integrado.
Amplificación de una señal
En general cuando trabajamos generando sonido o leyendo señales biológicas un desafío
importante lo constituye la amplificación de la señal. En este proceso los elementos del circuito
que realiza la operación deben estar debidamente adaptados para recibir y amplificar solamente
aquella parte de las señales que nos interesan sin aumentar el ruido ni agregar uno nuevo. En
todo equipo electrónico esta parte es la más delicada en el diseño y resulta crítica a la hora de
sincronizar las señales emitidas como estímulo y las señales recibidas como respuesta. Esto es
debido a que cualquier circuito integrado modifica la fase de la señal que procesa y como vimos
esta está relacionada con el tiempo de retardo de una con respecto a la otra.
En general el proceso de amplificación se realiza en más de una etapa (pre y amplificador
propiamente dicho).
Preamplificadores
En los preamplificadores se aumenta la magnitud y el poder de los potenciales eléctricos
registrados por los electrodos, de manera tal que estas señales bio eléctricas originadas en las
fibras nerviosas periféricas y musculares puedan ser conducidas hasta el amplificador evitando
al máximo posible la influencia negativa de efectos eléctricos indeseados, los cuales pueden
causar errores o añadir señales sin el valor biológico esperado. Estos efectos eléctricos
negativos se originan en el ambiente que rodea al paciente (en sitios tales como la línea eléctrica
y los transformadores del sistema de iluminación), en fuentes bioeléctricas dentro de la propia
persona o como efecto directo de la estimulación eléctrica que se le aplica.
29
Los preamplificadores tienen que ser desde el punto de vista eléctrico compatibles con los
electrodos de registro utilizados y, por lo general, se colocan en cajas conectadas por un cable al
sistema principal de registro y muy próximas a los electrodos, con lo cual es posible disminuir la
longitud de los cables que viajan desde los electrodos y minimizar así las interferencias. Los
preamplificadores deben estar caracterizados por un nivel de ruido eléctrico interno bajo y una
alta impedancia de entrada.
Otra característica importante que todo investigador en la clínica neurofisiológica debe conocer
sobre los preamplificadores es que estos permiten la amplificación selectiva y simultánea de los
potenciales eléctricos originados en áreas próximas a los dos electrodos de registro (el activo y
el de referencia), es decir desarrollan una amplificación diferencial.
Esta forma de amplificación permite discriminar interferencias que pudieran generarse por
campos de potenciales eléctricos indeseados que alcanzaran a estar presentes a cierta y similar
distancia de ambos electrodos, influyendo con igual magnitud sobre el área de registro de ambos
electrodos. Dicho de otro modo, las señales de modo común, o comunes a ambos electrodos, se
cancelan y por tanto no serán amplificadas.
Proceso de amplificación y filtrado
Cuando las señales bio eléctricas registradas abandonan el preamplificador y pasan al
amplificador principal, poseen ya suficiente amplitud y nivel como para que no puedan ser
modificadas por ulteriores ruidos eléctricos externos o internos.
En los amplificadores, las señales eléctricas son magnificadas y filtradas de manera que a la
salida de ellos tenemos señales eléctricas modificadas y convertidas en grandes potenciales que
pueden ser entonces visualizados sobre la pantalla del monitor de una computadora o en la
pantalla de un osciloscopio, y pueden a su vez ser almacenadas, analizadas e interpretadas.
Para comprender el proceso de amplificación y filtraje que tiene lugar en los amplificadores hay
que tener siempre presente que las bio señales están compuestas por varios componentes de
frecuencias, y que no todos ellos tienen significado biológico de interés diagnóstico.
También es esencial que el investigador conozca que el proceso de filtrado en los amplificadores
es una función de transformación no uniforme (ex profeso) con respecto a cada una de las
frecuencias que componen la señal registrada. Por tanto, el filtrado de la señal en estudio no es
más que un proceso de separación de esta señal sobre la base de sus frecuencias, en busca de
la atenuación en amplitud de los componentes de frecuencia no deseados, por carecer de
relevancia en el diagnóstico neurofisiológico.
De acuerdo con su forma de trabajo, los filtros pueden ser analógicos y digitales.
Una forma de mejorar el rendimiento de un sistema de amplificación suele ser extraer de la
señal, antes de que pase por dicho sistema; el ruido o la parte de la señal no deseada. Este
proceso se realiza a través de lo que se conoce como filtrado.
Filtros
Introducción
Casi todos los sistemas de comunicación emplean filtros. Un filtro deja pasar una banda de
frecuencia mientras rechaza otras. Los filtros pueden ser pasivos o activos. Los filtros pasivos se
construyen con resistencias, condensadores e inductancias. Se usan generalmente por encima
de 1MHz.
30
Los filtros activos en cambio se arman con resistencias, condensadores y amplificadores
operacionales. Se usan por debajo de 1MHz.
Los filtros separan las señales deseadas de las no deseadas.
Respuesta ideal de un filtro
La respuesta en frecuencia de un filtro es la gráfica de su ganancia en tensión frente a la
frecuencia. Esto esencialmente significa que un filtro ideal, deja pasar todas las frecuencias
deseadas, con su completa amplitud y borra todas las no deseadas. Hay cinco tipos de filtros:
pasa bajo, pasa alto, pasa banda, banda eliminada y pasa todo.
FILTRO PASA BAJOS
Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una
determinada.
FILTRO PASA ALTAS
Este tipo de filtro elimina todas las frecuencias desde cero hasta la frecuencia de corte y permite
el paso de todas las frecuencias por encima de la frecuencia de corte. Con un filtro pasa alto, las
frecuencias entre cero y la frecuencia de corte son la banda eliminada. Las frecuencias por
encima de la de corte son la banda pasante
FILTRO PASA BANDA
La respuesta ideal elimina todas las frecuencias desde cero a la frecuencia de corte inferior,
permite pasar todas aquellas que están entre la frecuencia de corte inferior y la frecuencia de
corte superior y elimina todas las frecuencias por encima de la frecuencia de corte superior.
En estos filtros, la banda pasante la forman todas las frecuencias que están entre la frecuencia
inferior de corte y la frecuencia superior de corte. Las frecuencias por debajo de la frecuencia
inferior de corte y por encima de la frecuencia superior de corte son la banda eliminada. En un
filtro pasa banda ideal, la atenuación en la banda pasante es cero, la atenuación es infinita en la
banda eliminada y las dos transiciones son verticales.
El ancho de banda (BW; bandwidth) de un filtro pasa banda es la diferencia entre las frecuencias
superior e inferior de corte:
Bw = f2 - f1
31
La frecuencia central se representa por f0 y viene dada por la media geométrica de las dos
frecuencias de corte.
El factor Q de un filtro pasa banda se define como la frecuencia central dividida entre el ancho de
banda:
FILTROS NOTCH
Son filtros pasabanda muy estrechos que permiten sacar la tensión de línea que se suele meter
en los trazados como ruido. Pueden se de 50 o 60 Hz según los ciclos que tenga la tensión en
lugar (Generalmente 50 o 60 Hz).
FILTROS ANALOGICOS Y DIGITALES
Los filtros según su construcción pueden ser analógicos o digitales
Los filtros analógicos son un tipo de filtro electrónico que discrimina las señales o componentes
de una señal analógica que pasan a través atendiendo a algunas de sus características,
habitualmente su frecuencia.
Un filtro digital es un sistema que, dependiendo de las variaciones de las señales de entrada en
el tiempo y amplitud, realiza un procesamiento matemático sobre dicha señal; generalmente
mediante el uso de la Transformada rápida de Fourier; obteniéndose en la salida el resultado del
procesamiento matemático o la señal de salida.
Los filtros digitales tienen como entrada una señal analógica o digital y en su salida tienen otra
señal analógica o digital, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo
de las características del filtro digital.
El filtrado digital es parte del procesado de señal digital. Se le da la denominación de digital más
por su funcionamiento interno que por su dependencia del tipo de señal a filtrar, así podríamos
llamar filtro digital tanto a un filtro que realiza el procesado de señales digitales como a otro que
lo haga de señales analógicas.
Los filtros digitales juegan un papel muy importante en el procesamiento digital de señales. En
gran número de aplicaciones, como compresión de datos, procesamiento de señales
biomédicas, procesamiento de señales de voz, procesamiento de imágenes, transmisión de
datos, audio digital, cancelamiento de ecos telefónicos, se prefieren por sobre los filtros
analógicos por uno o más de los siguientes motivos:
Los filtros digitales pueden tener características que son imposibles de conseguir con filtros
analógicos, como por ejemplo una respuesta de fase exactamente lineal. Recordemos cómo
modifican las fases de las señales los componentes activos de impedancias que mencionamos
al comienzo del capítulo.
32
El desempeño de los filtros digitales no varía con las condiciones ambientales (temperatura,
humedad, etc.) como sí ocurre con los filtros analógicos, lo que elimina la necesidad de
calibrarlos periódicamente.
El mismo filtro puede procesar varias señales o canales de entrada sin necesidad de replicar el
hardware.
Las señales filtradas y sin filtrar pueden almacenarse para uso o análisis posterior.
La precisión con que un filtro digital verifica las especificaciones de diseño está limitada
solamente por la longitud de palabra (bits) utilizada para representar los coeficientes del filtro y
ejecutar las operaciones aritméticas; con los filtros analógicos es difícil lograr atenuaciones que
excedan los 60 o 70 dB en la banda de rechazo (utilizando componentes convencionales).
El desempeño de los filtros digitales es repetible de unidad a unidad.
Los filtros digitales pueden utilizarse a muy bajas frecuencias, como las que se encuentran en
aplicaciones biomédicas, donde el empleo de filtros analógicos es poco práctico por los valores
muy elevados de los componentes pasivos involucrados (capacitores, inductancias). Además,
los filtros digitales pueden trabajar sobre un amplio rango de frecuencias simplemente
cambiando la frecuencia de muestreo.
Los filtros digitales también presentan una serie de desventajas respecto a los filtros analógicos:
Limitación de frecuencia. La frecuencia de Nyquist –que fija el ancho de banda útil que el filtro
puede procesar– queda definida por el proceso de conversión (tiempos de conversión del
conversor A/D y D/A), velocidad del procesador, cantidad de operaciones a ejecutar por unidad
de tiempo, etc.
Efectos de longitud finita de palabra. En general, los coeficientes del filtro implementado serán
distintos de los calculados teóricamente si la representación numérica que se utiliza para
implementar el filtro no es de precisión infinita (punto flotante). No sólo influye la cuantización de
los coeficientes del filtro, sino también el redondeo de las operaciones numéricas, la cuantización
del conversor A/D y D/A, la truncación que ocurre al almacenar los contenidos del acumulador en
memoria, etc. Estos efectos, que se modelan como fuentes de ruido de distribución uniforme,
pueden limitar seriamente el desempeño de los filtros digitales.
Trasductores
Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo
de energía de entrada, en otra de diferente tipo a la salida.
Un transductor electromecánico, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa,
aunque no necesariamente en esa dirección. Es un dispositivo usado principalmente en la
medicina, para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta
información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen
algo de energía por lo que la señal de salida resulta debilitada respecto de la de entrada
El cuerpo humano permanentemente efectúa la tarea de trasducción a diferentes niveles.
Fisicoquímico en eléctrico (conducción nerviosa), Mecánico en eléctrico (oído), etc.
Adaptación de impedancias
33
Hemos definido a la impedancia como un elemento que se opone al paso de una corriente o la
transforma retrasándola o adelantándola, por ejemplo.
Este concepto se puede aplicar a cualquier tipo de corriente o paso de un fluido. En el caso de la
propagación de una onda de sonido también se puede definir una impedancia acústica. También
se puede definir una impedancia en las corrientes de fluidos para tubos, sistema circulatorio, etc.
La impedancia acústica se define como:
Z = v
es la densidad del medio y v la velocidad del sonido en el mismo.
La complianza acústica C, se define como el volumen de desplazamiento que produce la
aplicación de una unidad de presión
C=
Es el equivalente a una capacidad.
Cuando una señal pasa de un componente a otro (Ej: Señal - Preamplificador –amplificador;
Sonido – Oido medio –oido interno. Señal – electrodo-equipo) , para no perder parte de ella en el
camino, las impedancias deben ajustarse. Esto es lo que se conoce como adaptación de
impedancias y es una terminología que veremos repetirse en diferentes campos. Cuando las
impedancias son muy diferentes, la onda (sonido, luz, electricidad) en lugar de pasar por
completo, se refleja y refracta lo que hace que una parte de la potencia se pierda en estas otras
dos ondas.
La naturaleza tiene un fabuloso adaptador de impedancias entre el oído medio y el interno para
no perderse parte de la potencia del sonido que ingresa al oído.
Electrodos
Un ejemplo de la adaptación de impedancias lo constituye la aplicación de electrodos para
recoger la señal EEG en un estudio de potenciales evocados.
Muchas veces vemos que nuestro equipo nos avisa que debemos mantener la impedancia por
debajo de los 5 KΏ.
Los amplificadores EEG modernos tienen una alta impedancia para comprobar que la conexión
entre los electrodos y el cuero cabelludo es insignificante, y nos avisará siempre y cuando el
electrodo no tenga ningún contacto en absoluto. Pero eso es sólo parcialmente cierto. De hecho,
los electrodos EEG no sólo recogen la señal de EEG, sino también de todo tipo de
contaminación electromagnética. La fuente más importante de ruido se obtiene de las líneas
eléctricas, que emiten señales oscilaciones electromagnéticas de 50 Hertz (o 60Hz). El ruido que
un electrodo EEG típico recoge normalmente es mucho más grande que la señal de EEG que
nos interesa. Los valores típicos son: señal de EEG: 10 a 100 microvoltios, el ruido de la línea de
alimentación a 50Hz: 10 milivoltios a 1 voltio, una factor de 1000 a 100'000 mayor. Para hacer
frente a este problema, los amplificadores de EEG deben tener un alto rechazo de modo común.
34
La resta que se efectúa en el rechazo de modo común sólo funciona correctamente cuando el
ruido medido por ambos electrodos es exactamente el mismo. Y esta es la razón por la que, la
impedancia entre los electrodos y el cuero cabelludo es importante: El tamaño de la señal de
ruido es muy dependiente de esta impedancia. En general, podemos decir que cuánto más
pequeña es la impedancia, menor será la señal de ruido.
El metro de impedancia característica nos permite comprobar directamente la calidad del
contacto de la fijación de los electrodos. Básicamente, uno puede tratar de lograr muy baja
impedancia. Normalmente, esto requiere una limpieza completa de la aplicación in situ y / o el
uso de un peeling-gel.
Los movimientos de iones que caracterizan a los procesos fisiológicos generan corrientes iónicas
dentro y fuera de las células nerviosas y musculares, las cuales a su vez originan potenciales
eléctricos locales y estos inducen corrientes que pueden ser registradas en su inmediata
vecindad, y que se transmiten por volumen conductor hasta la superficie corporal, donde también
es posible registrarlas. Estas pequeñas corrientes son detectadas, ya sea dentro del tejido
muscular y nervioso o en la superficie corporal, por electrodos de registro de diversos tipos,
sobre todo de aguja y de superficie.
Los electrodos de registro son el punto crítico en cualquier sistema de trabajo en la clínica. Ellos
convierten los movimientos de corrientes iónicas originados dentro del cuerpo por la actividad
muscular y nerviosa periférica, en corrientes eléctricas que fluyen a lo largo de los cables
conductores que viajan hasta los preamplificadores.
El neurofisiólogo clínico debe tener siempre presente que en la superficie activa de los
electrodos de registro se establece una interfase entre el metal del electrodo y los electrólitos de
los tejidos corporales, en la cual ocurre una combinación de los iones de los electrólitos de los
tejidos corporales con el metal del electrodo y una descarga de iones desde este último hacia la
solución. Este complejo proceso electroquímico da por resultado la formación de un gradiente de
cargas eléctricas en la superficie del electrodo. Dicho gradiente puede ser visto como si se
formaran dos capas paralelas de cargas de polaridad opuesta. El valor de este gradiente es
variable e inestable y dependerá del tipo de metal, del electrólito y su concentración, y de la
naturaleza de la corriente eléctrica que esté pasando a través de la interfase, entre otros
factores.
Cuando los electrodos se mueven tiene lugar un cambio abrupto en el voltaje de polarización y
esta es la fuente más importante de artefactos en cualquier registro. Por tanto, la calidad de las
señales bioeléctricas registradas dependerá, en primer lugar, de las características de los
electrodos de registro. Las conexiones de estos, mediante cables conductores, con el sistema de
amplificación desempeñan también un papel significativo en la calidad de los registros
electrofisiológicos. Es por ello que las conexiones deben ser lo más cortas y flexibles posible, y
de ser necesario, en medios de mucho ruido electrónico, deben estar “apantalladas”.
35
CAPÍTULO 5: La física de la Audición
El Oido pensado físicamente, oído externo, oído medio, modelo coclear tonal. Concepto de
trasducción
Elementos de la percepción sonora y su correlación biológica, apantallamiento, localización, el
valor de la fase.
Problemas acústicos ambientales, ruidos y señales no deseadas.
Analizaremos ahora las diferentes partes del oído teniendo en cuenta sus propiedades físicas,
ayudándonos con los conceptos vistos hasta ahora.
Oido externo
PABELLÓN AURICULAR
El pabellón auricular en el hombre aumenta la audición solamente en una mínima parte. Los
músculos que intervienen están atrofiados y la oreja se encuentra pegada a la cabeza y es
inmóvil a diferencia de lo que ocurre en algunos animales. Parte de la localización se realiza a
través de movimientos de la cabeza la que junto a los hombros modifica el espectro del sonido
ambiente difractándolo. Este proceso es interpretado por el sistema para detectar la procedencia
del sonido.
Sin embargo podemos decir que el pabellón ayuda en algo a dirigir el sonido dentro del conducto
auditivo externo y se le atribuye un aumento de intensidad de las ondas entre 1.7-7 kHz de 1015 dB.
CONDUCTO AUDITIVO EXTERNO
El pabellón se continúa en el conducto auditivo externo que tiene la forma de un tubo sinuoso de
unos 2 cm de longitud y 7mm de diámetro en el adulto.
Sin perder calidad en la interpretación físico-matemática que estamos intentando podemos
simularlo por un conducto cilíndrico. Vimos ya como calcular la frecuencia resonante en un tubo
y sabemos calcularlas para distintos tamaños de conductos en forma aproximada.
El Oido medio
Su función es la conducción de las ondas sonoras hacia la cóclea
Transforma las ondas esféricas que salen del canal medio en ondas planas y refuerza la
resonancia entre los 2-3 kHz.
36
Está constituído por una cavidad llena de aire, dentro de la cual se encuentran el martillo, el
yunque y el estribo unidos entre sí en forma articulada. Uno de los extremos del martillo se
encuentra unido al tímpano, mientras que la base del estribo está unida mediante un anillo
flexible a las paredes de la ventana oval. La cavidad a su vez se comunica con el exterior por la
trompa de Eustaquio, que llega hasta las vías respiratorias y permite igualar la presión a ambos
lados del tímpano.
Los sonidos vimos que son una onda de presión que impacta sobre la membrana timpánica que
vibra de acuerdo a esas oscilaciones.
Sabemos que esa onda se propaga a través de los huesecillos en forma de palanca hasta arribar
a la ventana oval. Esta ventana está en contacto con un fluido, que es el encerrado en la cóclea.
Tenemos entonces un nuevo problema para la propagación del sonido.
Reveamos la ecuación de la velocidad del sonido
V= √(B/ρ) donde ρ es la densidad del medio en equilibrio y B es el llamado módulo de
compresibilidad.

Elemento
( kg/m3)
B (kg/m s2)
Aire
1.2
1.3 105
Agua
103
2.2 109
Hueso
1.6 103
1.8 1010
Por lo tanto debemos tener una adaptación de impedancias que, ¿quién lo realiza?
Las vibraciones del tímpano se trasmiten por la cadena de husecillos que opera como un
sistema de palancas de forma tal que el estribo oscila sobre la ventana oval que está en contacto
con los fluidos contenidos en el oído interno. Este mecanismo debe trasmitir las ondas con
eficiencia transformando las vibraciones en aire en vibraciones en un fluido.
Debido a la diferencia entre el largo del mango del martillo y la apófisis larga del yunque, se logra
que el sistema de palanca de los huesecillos multiplique la fuerza del movimiento por 1,3
aproximadamente.
F1 d1 = F2 d2
F2 = 1.3 F1
Esta acción produce una mejoría del umbral de audición de 2,3 dB aproximadamente según:
20 log10 1,3 = 10 log10 1,7
37
Mucho más importante que la acción de palanca es la relación entre el área de la membrana
timpánica y la platina o base del estribo. La superficie de la membrana timpánica es de
aproximadamente 55 mm2 mientras que la superficie de la base del estribo es de unos 3.2 mm2.
Esto significa una diferencia de 55/3,2 = 17 veces, que permite que la energía de la onda sonora
que choca con la membrana timpánica se aplique a la pequeña base del estribo, causando una
presión 17 veces mayor sobre el líquido del caracol que la presión de la onda en el tímpano.
Este es aproximadamente el principio de la prensa hidráulica. Como el líquido tiene mucha
mayor inercia que el aire, se comprende que se necesiten presiones mucho mayores para
producir una misma vibración en el líquido. De hecho, éste emparejamiento de impedancia es
del orden de 50 a 75% para frecuencias entre los 300 y 3kHz, lo cual permite una utilización casi
completa de la energía de las ondas sonoras que llegan al tímpano. Expresado en decibeles,
esta acción produce una mejoría del umbral de audición de 25 dB aproximadamente según:
20 log10 17 = 10 log10 289
Sumando los dos resultados se obtiene una recuperación de 27,3 dB de los 30 dB perdidos, es
decir, un 91% de la energía perdida, según:
2,3 dB + 25 dB = 27,3 dB
Sistema de palanca + Relación hidráulica = dB recuperados
Oido interno
El caracol o cóclea es un sistema de tubos enrollados, con tres tubos diferentes, uno al lado del
otro denominados rampa vestibular, rampa media y rampa timpánica. La rampa vestibular y
media se hallan separadas entre sí por la membrana vestibular (M.V.), la rampa timpánica y la
rampa media se hallan separadas por la membrana basilar (M.B.). En la superficie de la
membrana basilar se halla una estructura, el órgano de Corti, que contiene una serie de células
mecánicamente sensibles, las células ciliadas. La rampa vestibular y la rampa timpánica se
encuentran llenas de perilinfa, ésta es rica en Na y pobre en proteínas. La rampa media
contiene endolinfa la cual es rica en proteínas y contiene sobre todo Ka.
La rampa vestibular se relaciona con la ventana oval mediante el vestíbulo y la rampa timpánica
limita con la ventana redonda. Ambos conductos comunican abiertamente en el vértice del
caracol o helicotrema.
Las células ciliadas sostenidas por las células de Deiters están dispuestas angularmente y con
sus extremos alcanzan la membrana tectoria de tipo gelatinoso y que está extendida sobre las
células ciliadas.
La membrana vestibular es tan delgada, que no dificulta el paso de las vibraciones sonoras
desde la rampa vestibular a la rampa media. Por lo tanto en cuanto a transmisión del sonido, la
rampa vestibular y media se consideran como una única cámara. La importancia de la
membrana vestibular depende de que conserve la endolinfa en la rampa media necesaria para el
normal funcionamiento de las células ciliadas.
Las células ciliadas se dividen en 2 tipos, externas e internas. Las primeras están por fuera de
los pilares de Corti en 3 filas paralelas, aunque en algunos casos se han observado 4 o 5 filas en
la zona apical. Estas células externas y cilíndricas no presentan estructuras propias de sostén;
mantienen su forma y posición gracias al apoyo de las células vecinas. Su número aproximado
es de 30.000. En la superficie superior pueden observarse los cilios. Se disponen de forma
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perpendicular a la superficie de la célula, unidos a una placa cuticular mediante unas estructuras
parecidas a raíces.
La membrana tectoria es una estructura gelatinosa que se extiende desde la lámina espiral hasta
la altura de las células de Kensen, por encima del órgano de Corti. Está formada por filamentos
englobados en una sustancia amorfa. Los estereocilios de las células ciliadas externas están
adheridos a esta membrana responsable de su deflección ante estímulos acústicos.
La Perilinfa es un filtrado del liquido cefalorraquideo, con una composición iónica típica de los
líquidos extracelulares en la que predomina el catión Na+. Esta composición no es constante, ya
que se aprecian pequeñas variaciones según la localización.
La Endolinfa se halla contenida en el espacio limitado por las M.B. y M.R., así como por a estría
vascular. El catión predominante es el K+, mientras que el contenido de Na+ es extremadamente
bajo. El elevado contenido de K+ requiere de mecanismos activos de transporte iónico para su
mantenimiento.
La diferencia de ambas clases de linfas del oído interno es de gran importancia para la función
del órgano sensitivo. Además, la perilinfa desempeña un importante papel en el metabolismo de
las células acústicas, como se deduce de la demostración de su rápida regeneración.
La M.B. posee dos propiedades físicas en extremo importantes: 1) Su rigidez decrece
progresivamente desde su extremo basal al apical. 2) Es más ancha en su base que en su apex.
Gracias al trabajo de Bekesy se ha establecido que al tener lugar un aumento en la presión
realizada sobre la base del estribo se provoca una onda en la cóclea. Ello hace que el conducto
coclear se combe hacia la ventana redonda. Sin embargo, no todas las partes del conducto
coclear se mueven simultáneamente. Debido a las características físicas ya descritas existe una
onda de desplazamiento a lo largo del conducto coclear. Las ondas alcanzan su máxima
amplitud en un punto del conducto coclear que depende de la frecuencia de la onda aplicada. El
ancho del lugar de la M.B. excitado aumentará progresivamente a medida que la frecuencia
disminuya, es decir, se observan pendientes mas empinadas para frecuencias altas. La
deformación de la M.B. alcanzara su amplitud máxima donde la frecuencia de resonancia de la
M.B. se corresponda con la frecuencia aplicada (lugar). A esto se le llama distribución tonotópica
de frecuencias.
La onda de presión sonora original, se transmite a la perilinfa de la rampa vestibular de la cóclea
mediante el movimiento de la platina del estribo en la ventana oval, generándose un diferencial
de presión a lo largo de las membranas cocleares. Estas membranas adquieren un movimiento
ondulatorio, sincrónico con la frecuencia del estímulo basilar, de hecho todos los contenidos de
la porción coclear son puestos en un movimiento hacia arriba y hacia abajo siguiendo la
alternante gradiente de presión a través de éste.
El helicotrema no ofrece una ruta alternativa a este movimiento, mas bien, se opone a éste; el
cual permite el desplazamiento de la sección coclear (movimiento de la membrana basilar hacia
arriba y abajo). La dinámica de la mecánica coclear, es tal que, para las frecuencias más
audibles el helicotrema actúa mecánicamente aunque esté cerrado. Solo a muy bajas
frecuencias (menores que 100 Hz en el hombre) hay un movimiento significativo de fluido que
ocurre por medio de esta ruta. De esta manera el helicotrema ayuda a filtrar el ruido de
frecuencias muy bajas.
Las ondas sonoras puestas en el fluido de la rampa vestibular, debido al movimiento del estribo,
son propagadas casi instantáneamente en comparación a los eventos, mucho más lentos, que
suceden en la membrana basilar; por lo tanto, no es la propagación del sonido a través del fluido
coclear por si misma el evento importante, sino, mejor dicho, es el acoplamiento subsecuente de
esta energía a la membrana basilar, en virtud de la cadena de eventos descritos. A través de la
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misma característica, importa muy poco como la energía sonora es entregada a la perilinfa; la
membrana basilar reacciona igual (Estimulación ósea)
Como ya sabemos, la membrana basilar, al desplazarse produce recorridos tangenciales entre la
membrana tectoria y el órgano de Corti. Las células ciliadas responden ante las deflecciones de
los estereocilios causadas por el movimiento. Sin embargo, parece ser que únicamente los cilios
de las CCE se hallan en contacto directo con la membrana tectoria mientras que los
correspondientes a las células internas se desplazan según el movimiento de la endolinfa.
El desplazamiento de los estereocilios en dirección del cinocilio (o de su vestigio en los
mamíferos) produce una despolarización de la célula. En cambio, el desplazamiento en sentido
contrario provoca una hiperpolarización con ausencia de estimulación de las fibras nerviosas
aferentes.
La esencia no lineal de los mecanismos cocleares
Hoy, la no linealidad es reconocida como una característica inherente de la transducción de
sonido que realiza el órgano de la audición para sonidos dentro de un rango dinámico medio
bajo, es decir, sonidos de moderado a suave, más que solo para sonidos extremadamente
fuertes como se tiende a creer. Ahora, la idea de que el órgano auditivo es inherentemente no
lineal indica que el amplificador en el sistema de transducción debe ser, por definición, no
lineal.
Mas específicamente, este debe ser compresivo. Por compresivo se entiende que amplio rango
de magnitudes de señal de entrada es apretado en un rango mucho más pequeño de salida.
Teóricamente, una función de compresión puede ser introducida en cualquier parte del sistema
auditivo. El desplazamiento de la M.B. en sí mismo es no lineal y, más específicamente,
compresivo. Pero este no es siempre el caso a lo largo de toda la envolvente de la onda viajera,
para una frecuencia dada, o, para un lugar dado de observación en todas las frecuencias la
compresión máxima ocurre principalmente alrededor de la frecuencia característica. A
frecuencias relativamente bajas, el desplazamiento es lineal (fig. 25 b). Este comportamiento se
observa también en la cóclea muerta para todas las frecuencias.
Una de las observaciones de la ciencia de la audición fue la reciente demostración de que las
CCE aisladas son capaces de reaccionar a cambios en la longitud de la célula por un campo
eléctrico aplicado. Se les denomina: "células ciliadas bailarinas", ya que, cuando son observadas
mientras se estimulan con señales musicales, las células ciliadas se contraen al ritmo.
Observando la respuesta de estas células aisladas bajo estimulación eléctrica se ha demostrado
que la despolarización de la CCE está asociada con una contracción, y la hiperpolarización con
una elongación del cuerpo celular. La CCE es así efectivamente capaz de reaccionar
mecánicamente al sonido. Dicho movimiento y reacción son asumidos para facilitar la vibración
de la M.B.
Resumen
Una cantidad significativa de procesamiento de señal ocurre atreves de los mecanismos de la
cóclea, antes de cualquier codificación neuronal. El espectro sonoro a sido, en efecto,
transformado desde coordenadas "amplitud v/s frecuencia" a una "amplitud v/s distancia", con la
distancia correspondiente al lugar máximo de la onda viajera. Así, por ejemplo, la respuesta de
las células ciliadas situadas en un lugar específico a lo largo de la M.B. se parece a la respuesta
de un filtro pasa-bandas dada una señal de ancho de banda a la entrada de la cóclea.
La cadena total de los eventos macromecánicos conducen a los eventos micromecánicos que en
realidad involucran mas que la cóclea. El sonido impreso sobre la membrana timpánica ajusta la
cadena osicular a la vibración, la cual, en cambio, causa el desplazamiento de la M.B. e inicia la
propagación de la onda viajera a lo largo de esta. Puede esperarse que, ya que la energía del
sonido pasa a través de otros mecanismos antes de entrar a la cóclea, los mecanismos
afectaran la eficiencia del acoplamiento de energía del sistema coclear. Consecuentemente, el
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espectro de sonido que llega a la cóclea se espera esté algo contaminado. Efectivamente, la
influencia de las porciones externas y medias del oído sobre el espectro de sonido que alcanza a
la cóclea es substancial. Esta parte del sistema, de hecho, determina que sonidos son audibles y
cuan bien son escuchados.
La cóclea como analizador de frecuencias
Las ondas de presión generadas en la perilinfa a través de la ventana oval tienden a desplazarse
a lo largo de la escala vestibular. Debido a que el fluido es incompresible la membrana basilar se
deforma, y la ubicación y amplitud de dicha deformación varía en el tiempo a medida que la onda
de presión avanza a lo largo de la cóclea.
Para comprender el modo de propagación de las ondas de presión, supóngase que se excita el
sistema auditivo con una señal sinusoidal de una frecuencia dada:
La membrana basilar vibrará sinusoidalmente, pero la amplitud de la vibración irá en aumento a
medida que se aleja de la ventana oval (debido a la variación en la velocidad de propagación),
hasta llegar a un punto en el cual la deformación de la membrana basilar sea máxima; en ese
punto de "resonancia", la membrana basilar es acústicamente "transparente" (es decir, se
comporta como si tuviera un orificio), de modo que la amplitud de la vibración y, por ende, la
transmisión de la energía de la onda al fluido de la escala timpánica es máxima en dicho punto.
A partir de esa región, la onda no puede propagarse eficientemente, de modo que la amplitud de
la vibración se atenúa muy rápidamente a medida que se acerca al helicotrema.
En este modo de propagación, las ondas de presión son ondas viajeras, en las cuales (a
diferencia de las ondas estacionarias) no existen nodos . En la Fig. se observa la amplitud de
oscilación de la membrana basilar en dos instantes de tiempo, junto con la envolvente de la onda
viajera, en función de la distancia al estribo.
La ubicación del máximo de la envolvente de la onda viajera depende de la frecuencia de la
señal sonora, como puede observarse en la Fig. mientras menor es la frecuencia del tono, mayor
es la distancia que viaja la onda a lo largo de la membrana antes de ser atenuada, y viceversa.
De esta forma, la membrana basilar dispersa las distintas componentes de una señal de
espectro complejo en posiciones bien definidas respecto a la ventana oval.
20
32
Distancia al estribo en mm
Las altas frecuencias contenidas en un estímulo sonoro se atenúan a medida que la onda se
desplaza hacia el helicotrema. Así, se puede considerar a la membrana basilar como un filtro
pasabajos de parámetros distribuidos. Por otro lado, si se midiese la respuesta en frecuencia en
un punto dado de dicha membrana, se obtendría una respuesta de tipo pasabanda.
Transducción en la cóclea
41
A los órganos sensoriales le conciernen tres procesos:
1. Obtención de energía de un estímulo.
2. Utilización de la energía absorbida para que brinde algún cambio en el estado de la
célula sensorial. y,
3. Los impulsos eléctricos iniciales que se producen en el nervio son llevados desde el
órgano sensorial al Sistema Nervioso Central (SNC).
Los nervios están compuestos de una gran cantidad de fibras individuales. Cada fibra se origina
de una célula nerviosa individual. La neurona que es específicamente estimulada por la acción
del estímulo en el órgano sensorial y que tiene la responsabilidad de transmitir la información
sensorial al SNC es llamada neurona sensorial. Los sistemas sensoriales son clasificados de
acuerdo a que si la neurona sensorial es activada directamente por el estímulo o vía una célula
separada -célula receptora- la cual absorbe la energía del estímulo y excita la neurona sensorial.
Cuando el mecanismo receptor es parte de la célula sensorial, caracteriza a un sistema sensorial
primario. La composición separada de la célula receptora y célula sensorial, caracteriza a
un sistema sensorial secundario.
En el sistema auditivo (sistema sensorial secundario), la señal receptora es generada en la
célula ciliada y se denomina, "Corriente receptora".
Ante los potenciales receptores generados por las células ciliadas, la neurona asume
básicamente 1 de 2 estados: On u Off. Ni la altura ni la duración de los impulsos neuronales,
lleva transformaciones más significantes una de la otra, ya que, sus dimensiones son bastante
uniformes.
Consecuentemente el primer aspecto de la información entregada por estos pulsos es cuan a
menudo ellos ocurren, mejor denominado, su frecuencia o Rango de peaks (RP). (Estos pulsos
tienen muy cortas duraciones alrededor de 1 mseg, así que, ellos lucen como peaks cuando son
grabados y monitoreados con un osciloscopio. El RP aumenta a medida que aumenta la
intensidad del estímulo, así la intensidad es codificada esencialmente como una frecuencia.
El proceso de transducción o conversión de señal mecánica a electroquímica se desarrolla en el
órgano de Corti, situado sobre la membrana basilar.
Las vibraciones de la membrana basilar hacen que ésta se mueva en sentido vertical. A su vez
la membrana tectorial, ubicada sobre las células ciliares (los transductores), vibra igualmente; sin
embargo, dado que los ejes de movimiento de ambas membranas son distintos, el efecto final es
el de un desplazamiento "lateral" de la membrana tectorial con respecto a la membrana basilar.
Como resultado, los cilios de las células ciliares externas se "doblan" hacia un lado u otro (hacia
la derecha, cuando la membrana basilar "sube").
En el caso de las células internas, aun cuando sus cilios no están en contacto directo con la
membrana tectorial, los desplazamientos del líquido y su alta viscosidad (relativa a las
dimensiones de los cilios) hacen que dichos cilios se doblen también en la misma dirección.
Células ciliares y potenciales eléctricos
La diferencia fundamental entre los dos fluidos de la cóclea, la perilinfa y la endolinfa, estriba en
las distintas concentraciones de iones en los dos fluidos. De esta manera, la endolinfa se
encuentra a un potencial eléctrico ligeramente positivo respecto a la perilinfa.
Por otro lado, los movimientos de los cilios en una dirección determinada hacen que la
conductividad de la membrana de las células ciliares aumente. Debido a las diferencias de
potencial existentes, los cambios en la membrana modulan una corriente eléctrica que fluye a
través de las células ciliares.
La consiguiente disminución en el potencial interno de las células internas provoca la activación
de los terminales nerviosos aferentes, generándose un impulso nervioso que viaja hacia el
cerebro. Por el contrario, cuando los cilios se doblan en la dirección opuesta, la conductividad de
la membrana disminuye y se inhibe la generación de dichos impulsos.
42
Se pueden destacar dos aspectos de este proceso de transducción: primero, que la generación
de impulsos nerviosos es un fenómeno probabilístico; segundo, que el proceso se comporta
como un rectificador de media onda, puesto que la probabilidad de activación de las fibras
nerviosas "sigue" a las porciones "positivas" de la señal sonora (equivalentes a desplazamientos
hacia "arriba" de la membrana basilar), mientras que se hace cero en las porciones "negativas"
de la onda.
Interacción entre células ciliares internas y externas
Las fibras aferentes del VIII nervio están conectadas mayormente con las células ciliares
internas, por lo que es posible concluir con certeza que éstas son los verdaderos "sensores" del
oído. Por el contrario, el papel de las células ciliares externas (más numerosas que las internas)
era objeto de especulaciones hasta hace pocos años.
Recientemente se ha comprobado que dichas células no operan como receptores, sino como
"músculos", es decir, como elementos móviles que pueden modificar las oscilaciones en la
membrana basilar.
La actuación de las células ciliares externas parece ser la siguiente: para niveles de señal
elevados, el movimiento del fluido que rodea los cilios de las células internas es suficiente para
doblarlos, y las células externas se saturan. Sin embargo, cuando los niveles de señal son bajos,
los desplazamientos de los cilios de las células internas son muy pequeños para activarlas; en
este caso, las células externas se "alargan", aumentando la magnitud de la oscilación hasta que
se saturan.
Este es un proceso no lineal de realimentación positiva de la energía mecánica, de modo que las
células ciliares externas actúan como un control automático de ganancia, aumentando la
sensibilidad del oído.
Este nuevo modelo del mecanismo de transducción nos indica que el conjunto formado por la
membrana basilar y sus estructuras anexas forman un sistema activo, no lineal y con
realimentación, y permite explicar dos fenómenos asociados al oído interno: el "tono de
combinación", generado a partir de dos tonos de distinta frecuencia por un elemento no lineal
que contiene un término cúbico y las "emisiones otoacústicas", las cuales consisten en tonos
generados en el oído interno en forma espontánea o estimulada, y que pueden llegar a
ser audibles.
Selectividad en frecuencia de la cóclea
Debido a la acción de filtraje de la membrana basilar, cada célula transductora procesa una
versión del estímulo sonoro filtrada de modo diferente. Esta acción de filtraje de la membrana
basilar por sí sola equivale a la de filtros cuya respuesta en frecuencia es relativamente "ancha".
Ahora bien, la realimentación positiva provocada por las células ciliares externas contribuye a
aumentar la selectividad del sistema auditivo.
Esto puede comprobarse midiendo la respuesta de una única fibra nerviosa ante variaciones en
la frecuencia y la amplitud del estímulo sonoro; las curvas de sintonía así obtenidas indican una
respuesta de tipo pasabanda mucho más angosta que la debida al efecto de la membrana
basilar como elemento pasivo.
Adicionalmente, experimentos recientes han permitido determinar que la selectividad del oído
interno es virtualmente idéntica a la selectividad del sistema auditivo en su totalidad, estimada
por métodos psicoacústicos
Procesamiento a nivel neural
Los impulsos nerviosos generados en el oído interno contienen (en forma codificada) información
acerca de la amplitud y el contenido espectral de la señal sonora; estos dos parámetros están
representados por la tasa de impulsos y la distribución de los mismos en las distintas fibras,
respectivamete.
Las fibras nerviosas aferentes llevan esta información hasta diversos lugares del cerebro. En
éste se encuentran estructuras de mayor o menor complejidad, encargadas de procesar distintos
aspectos de la información.
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Por ejemplo, en los centros "inferiores" del cerebro se recibe, procesa e intercambia información
proveniente de ambos oídos, con el fin de determinar la localización de las fuentes del sonido en
el plano horizontal en función de los retardos interaurales, mientras que en los centros
"superiores" de la corteza existen estructuras más especializadas que responden a estímulos
más complejos. La información transmitida por el nervio auditivo se utiliza finalmente para
generar lo que se conoce como "sensaciones".
Hasta ahora se ha visto que las distintas partes del sistema auditivo son susceptibles de ser
modeladas matemáticamente, en términos de su comportamiento como sistemas físicos.
Se podría por tanto pensar que el modelo perceptual ideal es aquel que simula, en términos de
los procesos físicos y fisiológicos, todas las etapas del sistema auditivo, incluyendo la etapa de
procesamiento neural en el cerebro. Sin embargo, la comprensión que se tiene acerca de lo que
ocurre en las estructuras cerebrales es muy limitada, especialmente en lo relativo a los centros
"superiores" del cerebro. Por lo tanto, es necesario recurrir a la descripción psicoacústica de los
fenómenos perceptuales y de las sensaciones.
Introducción a los modelos cocleares
La utilización de modelos físicos y matemáticos, ha sido muy importante para establecer la
existencia de ondas viajeras en la cóclea como un hecho, más que solo otra teoría. Aunque es
posible hacer que un modelo haga lo que uno desea, los modelos, por muy cuidadosamente
construidos, pueden tener problemas obvios de interpretación de datos experimentales o errores
conceptuales en teorías de mecánica coclear. Estos pueden incluso sugerir mecanismos ocultos
pasados por alto o no vistos en la cóclea.
El modelo permite trabajar con varias estructuras y parámetros en una manera que no podría ser
posible en una cóclea real. Los modelos no toman en cuenta los problemas inherentes al trabajo
con tejidos biológicos, especialmente en especies vivas
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Psicoacústica
La psicacústica describe los conceptos y fenómenos relacionados con la percepción del sonido.
No todos los fenómenos perceptuales auditivos están relacionados directamente con un
fenómeno físico sino que reflejan un cojunto muy complejo de relaciones que, para poder ser
descritos, requieren de calificativos subjetivos de difícil repetibilidad entre observadores.
Rango dinámico y respuesta en frecuencia del oído
RANGO
El ser humano es capaz de detectar únicamente aquellos sonidos que se encuentren dentro de
un determinado rango de amplitudes y frecuencias. En este sentido, se puede establecer una
analogía entre el aparato auditivo y un sistema electrónico de audio: en base al concepto
convencional del rango dinámico.
Se define el rango dinámico del oído como la relación entre la máxima potencia sonora que éste
puede manejar y la mínima potencia necesaria para detectar un sonido. Asimismo, el rango de
frecuencias asignado convencionalmente al sistema auditivo va desde los 20 Hz hasta los 20
kHz, aun cuando este rango puede variar de un sujeto a otro o disminuir en función de la edad
del sujeto, de trastornos auditivos o de una pérdida de sensibilidad (temporal o permanente)
debida a la exposición a sonidos de elevada intensidad.
Ahora bien, la sensibilidad del sistema auditivo no es independiente de la frecuencia; por el
contrario, dos sonidos de igual presión sonora pueden provocar distintas sensaciones de
intensidad o "sonoridad", dependiendo de su contenido espectral.
Estos tres parámetros del oído (rango dinámico, respuesta en frecuencia y sensibilidad en
función de la frecuencia) se resumen en la siguiente figura, que ilustra el área de audición.
45
140
música
Nivel de
presión
sonora
(dB)
voz
0
20
Frecuencia(Hz)
20 K
.
El extremo superior del rango dinámico está dado por el umbral de dolor, el cual define las
presiones sonoras máximas que puede soportar el oído. Más abajo de este nivel, se encuentra el
límite de riesgo de daños, el cual representa un umbral de presión sonora que no debe
sobrepasarse por más de un cierto período de tiempo (ocho horas diarias por día laboral), o de lo
contrario puede producirse un pérdida de sensibilidad permanente.
El extremo inferior, denominado umbral de audibilidad (UA), representa la sensibilidad del
aparato auditivo, es decir, el valor mínimo de presión sonora que debe tener un tono para que
éste sea apenas perceptible.
UMBRAL DE AUDIBILIDAD
La sensibilidad del aparato auditivo puede variar considerablemente de un sujeto a otro;
además, puede cambiar según las condiciones de propagación del sonido. Por esta razón,
resulta conveniente definir un umbral de audibilidad promedio, también llamado mínimo campo
audible promedio; éste se representa mediante una curva que indica la presión sonora de un
tono puro de larga duración (> 200 ms), el cualnse propaga en condiciones de campo libre y en
ausencia de cualquier otro sonido, y que puede ser detectado por el 50% de una población de
sujetos jóvenes (entre 18 y 25 años) y audiológicamente normales.
Los valores medios del umbral de audibilidad han sido objeto de un proceso de estandarización,
descrito en un documento de las normas ISO.
Es preciso tener en mente que el umbral de audibilidad promedio no representa un límite
absoluto, sino una medida estadística asociada con la probabilidad de detección de un tono de
determinada frecuencia y amplitud. y que, por ende, debe ser empleado con cautela.
La sensibilidad del sistema auditivo humano disminuye con la edad, especialmente en las altas
frecuencias, debido al deterioro de las células ciliares del órgano de Corti.
El umbral de audibilidad no sólo es función del sujeto y de los parámetros ya mencionados, sino
que además presenta una dependencia con respecto al modo de propagación de las ondas
sonoras.
La curva del UA promedio antes definida corresponde a sonidos que se propagan en forma de
ondas viajeras planas, y que inciden frontalmente sobre la membrana timpánica (condición de
"campo libre").
Ahora bien, el modo de propagación de "campo libre" sólo es posible en ambientes anecoicos o
utilizando audífonos cuya respuesta en frecuencia haya sido adecuadamente corregida; sin
embargo, en situaciones cotidianas (ambientes reverberantes; aplicación directa del sonido, sin
audífonos) las características en frecuencia del lugar en el cual se encuentre el sujeto, por una
parte, y la difracción provocada por la cabeza y el pabellón auricular (ver sección III.2.2), por
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otra, hacen que la propagación del sonido se asemeje a la condición de "campo difuso", en la
cual el sonido incide desde todas las direcciones posibles.
EXCITACIÓN Y NIVEL DE EXCITACIÓN
El comportamiento de la membrana basilar frente a los estímulos sonoros puede resumirse en
tres propiedades: existencia de ondas viajeras, dispersión de las componentes de distinta
frecuencia a lo largo de la membrana y comportamiento pasabajos (considerando la totalidad de
la membrana).
Ahora bien, supóngase que se estimula a la membrana basilar con un tono puro, de nivel X dB
SPL. Debido a las propiedades antes descritas de la membrana basilar, la propagación del tono
será tal que se producirá una onda viajera, cuya envolvente se muestra en la Fig.
1K
1.5
K
Ya analizamos en capítulos anteriores las razones por las que se produce este batido.
La amplitud máxima de la envolvente depende de la intensidad del estímulo. Por otro lado,
debido a la naturaleza del mecanismo de transducción de la señal sonora dicha envolvente está
asociada directamente con la actividad neural en el órgano de Corti, puesto que la tasa de
generación de impulsos nerviosos depende de la amplitud de la señal.
Así pues, se puede establecer una equivalencia directa entre la intensidad de la señal, la
envolvente de la onda viajera y el grado de estimulación o excitación de los receptores auditivos
(esto es, las células ciliares internas) y sus terminaciones nerviosas asociadas.
Por esto, se define el patrón de excitación como la curva que representa, en función de la
frecuencia, la magnitud de la actividad neural (o, lo que es equivalente, la envolvente de la onda
viajera) expresada en unidades de intensidad sonora. De esta manera, es posible interpretar el
patrón de excitación como una curva que resume las transformaciones de que es objeto la señal
sonora en el oído interno.
Enmascaramiento sonoro
DEFINICIÓN
El enmascaramiento sonoro puede definirse como el proceso en el cual el umbral de audibilidad
correspondiente a un sonido se eleva, debido a la presencia de otro sonido. Para ilustrar mejor
este fenómeno, imagínese el siguiente experimento:
Un sujeto audiológicamente normal se introduce en un ambiente anecoico y con bajo nivel de
ruido acústico de fondo, y se le hace escuchar una señal sonora A (p. ej., un tono puro) que sea
perfectamente audible, es decir, cuyo nivel de presión sonora esté muy por encima del umbral de
audibilidad del sujeto a la frecuencia del tono. Se le pide al sujeto que juzgue (subjetivamente) la
intensidad del tono de prueba A. Luego, se añade una señal sonora B (p. ej., una banda de ruido
centrada en la frecuencia del tono) de bajo nivel SPL, y se va aumentando progresivamente el
nivel de B, manteniendo constante el nivel de A. El sujeto
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notará que, a medida que aumenta el nivel de la señal B, la intensidad aparente o subjetiva de A
disminuye hasta que, eventualmente, A se hace inaudible.
En este caso se dice que la señal A está totalmente enmascarada por la señal B.
Se cree que el enmascaramiento sonoro tiene su origen en los receptores auditivos situados en
la membrana basilar Los receptores que se encuentran estimulados por una señal A deben
recibir un nuevo nivel de estimulación o excitación debida a otra señal B, tal que la diferencia
entre la excitación debida a A y B juntas supere a la debida a A en una determinada magnitud: si
esto ocurre, el sonido B será percibido; en caso contrario, B será inaudible.
De esta forma, cada componente en frecuencia de cada señal sonora ocasiona un nivel de
actividad neural (excitación) en diversas zonas de la membrana basilar, lo que altera la
detectabilidad de otras componentes; de ahí la relación entre excitación y enmascaramiento.
Como se verá posteriormente, el enmascaramiento depende del nivel de presión sonora de las
señales "enmascarante" y "enmascarada", así como de la separación en frecuencia y en tiempo
entre las mismas.
UMBRAL DE ENMASCARAMIENTO Y NIVEL DE SENSACIÓN
Para medir cuantitativamente la magnitud del enmascaramiento, así como para distinguir entre el
umbral de audibilidad en condiciones de "silencio" (es decir, en ausencia de otra señal distinta a
la señal de prueba) y el UA en condiciones de enmascaramiento, se define el umbral de
enmascaramiento (UE) como "el nivel de presión sonora de un sonido de prueba necesario para
que éste sea apenas audible en presencia de una señal enmascarante".
De la definición anterior resulta obvio que los umbrales de audibilidad y de enmascaramiento
deben ser idénticos en ausencia de señales enmascarantes.
Si se representa en forma gráfica el valor del UE en función de la frecuencia (u otra variable
análoga), se obtiene una curva denominada patrón de enmascaramiento. Como se verá, debido
a la estrecha relación entre la excitación y el enmascaramiento, los patrones respectivos
asociados a una misma señal son muy similares en su forma (no así en sus valores).
Adicionalmente, se define el nivel de sensación (NS) de una señal de prueba como la diferencia,
en dB SL, entre el umbral de enmascaramiento y el umbral de audibilidad correspondientes a
dicha señal y expresados en dB SPL:
NS[dBSL] = UE[dBSPL] – UA[dBSPL]
ENMASCARAMIENTO SIMULTÁNEO
Dependiendo de la ubicación temporal de la señal de prueba (P) con respecto a la señal
enmascarante (E), se pueden distinguir tres situaciones posibles (Fig. IV.8):
1) Enmascaramiento simultáneo: E y P se presentan solapados en el tiempo (E está presente
durante toda la duración de P).
2) Enmascaramiento previo a la presentación de la señal enmascarante, o preenmascaramiento:
E se presenta después de P.
3) Enmascaramiento posterior a la presentación de la señal enmascarante, o postenmascaramiento: E se presenta antes que P.
P
P
P
E
48
Dependencia con la frecuencia
1) El umbral de enmascaramiento asociado al ruido blanco es prácticamente constante
(independiente de la frecuencia) en el rango de 20 a 500 Hz; por encima de los 500 Hz aumenta
con la frecuencia, con una pendiente de aproximadamente 10 dB/década.
2) A pesar de que la intensidad de la señal enmascarante se encuentra distribuida
uniformemente en frecuencia, resulta más fácil enmascarar (con ruido blanco) un tono de alta
frecuencia que uno de baja frecuencia.
El punto (1) es consecuencia de la no uniformidad de la resolución en frecuencia del sistema
auditivo, aunada a un mecanismo de integración de la intensidad sonora en el dominio
frecuencial; el resultado descrito en el punto (2) puede generalizarse a cualquier señal
enmascarante, y se debe a las propiedades de la membrana basilar.
Dependencia con la amplitud
El valor máximo del patrón de enmascaramiento depende del nivel de la señal enmascarante, en
forma tal que un incremento de X dB en la presión sonora de la señal provoca un incremento de
X dB en el UE máximo.
ENMASCARAMIENTO NO SIMULTÁNEO
Pre-enmascaramiento
El pre-enmascaramiento es un fenómeno inesperado, pues pareciera implicar que el sistema
auditivo es no causal : una señal puede enmascarar a otra antes de ser aplicada. Sin embargo,
es posible justificar la existencia del pre-enmascaramiento si se piensa que cualquier sensación
sonora no se produce instantáneamente, sino que se requiere de un cierto tiempo para que se
origine dicha sensación; de hecho, un estímulo sonoro debe tener una duración mínima para que
se generen impulsos en las terminaciones nerviosas del órgano de Corti .
Las señales de gran intensidad requieren de un tiempo de formación de la sensación menor que
el de las señales de baja intensidad; así, si una señal "grande" se presenta unos pocos
milisegundos después que una señal "pequeña", la sensación asociada a ésta puede no llegar a
producirse, quedando efectivamente enmascarada.
La comprensión que se tiene del pre-enmascaramiento es pobre, puesto que los resultados
experimentales obtenidos sólo son reproducibles con sujetos altamente entrenados [2], y en
muchos casos no permiten concluir con certeza acerca de sus propiedades.
El fenómeno se extiende hasta unos 20 ms antes de la aparición de la señal enmascarante,
independientemente del nivel de ésta. Debido a la corta duración del pre-enmascaramiento y a la
escasa información disponible, los modelos perceptuales ignoran usualmente los efectos de
preenmascaramiento,
aun cuando éstos pueden ser de gran importancia en sistemas de codificación
de audio basados en transformadas.
POST-ENMASCARAMIENTO
El post-enmascaramiento, por el contrario, es un efecto fácil de medir aun en sujetos no
entrenados. Por regla general, se determina experimentalmente mediante señales de prueba de
corta duración (del orden de los 5 ms o menos), aplicadas luego de una señal enmascarante de
duración variable.
El efecto de post-enmascaramiento existe durante un intervalo máximo de unos 200 ms después
de la desaparición de la señal enmascarante .
El post-enmascaramiento depende del contenido frecuencial de las señales enmascarante y
enmascarada. Diversos experimentos descritos en la literatura permiten concluir que la cantidad
de post enmascaramiento es mayor en las bajas frecuencias que en las altas.
En cuanto a las causas del post-enmascaramiento, se cree que tiene su origen en dos procesos
fisiológicos distintos
49
·
·
Las propiedades mecánicas de la membrana basilar son tales que ésta vibra
durante un cierto tiempo luego de la desaparición del estímulo sonoro. Este es un
efecto de corta duración (< 20 ms).
Efectos de "adaptación" o "acomodación" neural. Este es un efecto de mayor
duración que el anterior.
·
Duifhuis [12] propuso un modelo exponencial satisfactorio del post-enmascaramiento, en el cual
se incluyen dos constantes de tiempo: una inferior a 10 ms, para considerar la mecánica de la
membrana basilar, y otra de 75 ms,
para tomar en cuenta los procesos neurales.
ANCHO DE BANDA CRÍTICO
El ancho de banda crítico es un concepto desarrollado por Fletcher, que puede interpretarse
como una medida de la selectividad frecuencial del oído.
El ancho de banda crítico permite explicar por qué, dado un tono de una cierta frecuencia, una
banda de ruido estrecha centrada en dicha frecuencia produce la misma cantidad de
enmascaramiento sobre el tono que una banda ancha de ruido, aun cuando el nivel de densidad
espectral de ambos ruidos sea igual y, por ende, la energía del ruido de banda estrecha sea
menor.
Bajo la suposición de que un tono "sumergido" en una banda de ruido es apenas audible cuando
la intensidad del tono es igual a la intensidad total del ruido enmascarante, Fletcher determinó
que, cuando el ancho de la banda de ruido cae por debajo de cierto valor crítico, la densidad
espectral del ruido debe ser inversamente proporcional al ancho de dicha banda para que el tono
permanezca enmascarado; cuando el ancho de la banda de ruido supera dicho valor crítico, la
densidad espectral del ruido enmascarante debe permanecer constante
para que el tono sea apenas audible.
En otras palabras, si el ancho de la banda de ruido varía, para enmascarar al tono es necesario
que la energía del ruido contenida en un intervalo de frecuencias alrededor del tono sea
constante.
La energía efectiva de la señal enmascarante es aquella confinada en tal intervalo, mientras que
el resto no contribuye al enmascaramiento del tono. El ancho de este intervalo crítico ha sido
denominado ancho de banda crítico.
De esta manera, el ancho de banda crítico (tal y como lo definió Fletcher) se obtiene cuando el
ancho de la banda de ruido es tal que la intensidad de un tono de prueba apenas audible es
igual a la intensidad de la banda de ruido. Ahora bien, esta medida de la selectividad del sistema
auditivo es incorrecta, puesto que Fletcher basó su definición en dos suposiciones erróneas]:


· Cuando el tono es apenas audible, la "relación señal a ruido" (SNR) entre las intensidades
del tono y de la banda de ruido no es igual a 0 dB. Por ejemplo, la intensidad de un tono
apenas audible de 1 kHz está unos 3 dB por debajo de la intensidad total de una banda de
ruido centrada en dicha frecuencia (es decir, una SNR de &endash;3 dB).
· Esta "relación señal a ruido" varía con la frecuencia del tono: a frecuencias bajas, es de
unos &endash;2 dB, mientras que en las altas frecuencias llega a unos &endash;6 dB.
A pesar de los errores implícitos en la definición de Fletcher, el concepto de un ancho crítico
sigue siendo válido, puesto que numerosos experimentos psicoacústicos indican que las
respuestas de los sujetos ante distintos fenómenos perceptuales cambian abruptamente cuando
los estímulos sobrepasan un cierto ancho de banda.
Así pues, se define una banda crítica (BC) como un intervalo de frecuencia que representa la
máxima resolución frecuencial del sistema auditivo en diversos experimentos psicoacústicos .
Adicionalmente, puede decirse que una BC constituye el intervalo de frecuencia en el cual el
oído interno efectúa una integración espacial (es decir, espectral) de la intensidad de la señal
sonora : la BC es el intervalo en el cual se "suma" la energía de las distintas componentes
espectrales de la señal.
Aun cuando, según lo expuesto hasta ahora, pareciese que la "habilidad" de una señal para
enmascarar a un tono depende sólo de la intensidad contenida en la BC centrada en el tono,
diversos resultados experimentales indican que tal "habilidad" depende además de la tonalidad
de la señal enmascarante.
50
En este contexto, el término "tonalidad" se utiliza para describir cualitativamente la similitud del
espectro de la señal con el de un tono puro: una señal es "tonal" cuando su espectro es
"impulsivo", mientras que es "no tonal" o "ruidosa" si su espectro se asemeja al de una banda de
ruido.
Efecto Haas.
Este fenómeno perceptual llamado también Efecto Precedencia tiene una gran importancia, tanto
en Acústica Arquitectónica como en Electroacústica y consiste en la fusión de los sonidos que
lleguen en una ventana de tiempo de 50 ms donde la percepción de la dirección del sonido es la
indicada por el sonido inicial.
Una forma simple de demostrar el fenómeno es a partir de un equipo de sonido estereofónico. Si
las señales son iguales en ambos canales, el sonido será percibido como proveniente del centro
del sistema.
Si introducimos un retardo de 5ms al canal derecho el sonido será percibido saliendo del canal
izquierdo, a pesar que las intensidades son iguales.
Si ahora atenuamos 10 dB el canal izquierdo (o le damos 10 dB de ganancia al canal derecho) el
sonido
será
percibido
saliendo
otra
vez
del
centro
del
sistema.
51
CAPÍTULO 6: Instrumentación en audiología. Conceptos de la física involucrada en estos
equipos.
Decibelímetro. Audiómetros. Vibrotáctil. Audífono. Implante coclear y de tronco encefálico.
Equipo de otoemisiones acústicas. Equipos de potenciales evocados
Decibelímetro
Existe una gran variedad de instrumentos para medir el ruido llamados decibelímetros o
sonómetros. Cuando es necesario medir el promedio de nivel sonoro al que ha estado expuesto
un individuo durante un tiempo determinado o para evaluar la exposición al ruido utilizamos
los decibelímetros integradores. En el caso que se necesite conocer el espectro del ruido, es
decir, la distribución del nivel de presión sonora en las diferentes frecuencias usamos
el decibelímetro con banda de octavas.
El decibelímetro es un instrumento que permite medir el nivel de presión acústica, expresado en
dB. Está diseñado para responder al sonido casi de la misma forma que le oído humano y
proporcionar mediciones objetivas y reproducibles del nivel de presión acústica. En esencia,
consta de un micrófono, una sección de procesamiento de señal y una unidad de lectura.
El funcionamiento de un decibelímetro consiste en un micrófono de medición que convierte la
señal acústica en una señal eléctrica equivalente, la cual se procesa a través de amplificadores
que adecuan la sensibilidad de la señal dentro del sistema de medición. Posteriormente la señal
entra en un detector, cuya función es obtener los valores representativos de la señal.
Seguidamente la señal es enviada a un convertidor lineal- logarítmico que permite la conversión
de una escala lineal (presión en Pa) a una escala logarítmica (nivel de presión acústica, en dB),
de modo que la tensión eléctrica de esta etapa es proporcional al nivel de presión considerado.
Cuando se requiere información más detallada de una señal compleja, puede dividirse el
intervalo de frecuencia audible en bandas de frecuencia. Esto se realiza con filtros electrónicos
para banda, los cuales rechazan señales que contengan frecuencias fuera de la banda
seleccionada. Al proceso de dividir de esta manera la señal compleja se llama análisis de
frecuencia. A los decibelímetros convencionales se les pueden adosar analizadores de bandas
de octavas para obtener dicho propósito.
Dentro de los decibelímetros integradores encontramos el dosímetro de ruido y el monitor de
nivel sonoro. El primero es un instrumento de evaluación personal, el cual integra y proporciona
una medida de la fracción de dosis diaria de ruido permisible.
Es un equipo que integra una función de presión acústica en un período, o bien, mide el
porcentaje de dosis de ruido para un tiempo de exposición dado. Este equipo se usa sobre todo
en ambientes laborales en donde existe ruido inestable, o en casos en los que el trabajador
expuesto está sujeto a desplazamientos continuos durante su jornada laboral, como los
supervisores o el personal de mantenimiento.
Básicamente el dosímetro es un instrumento constituido por un micrófono, un circuito de
ponderación en frecuencia tipo A, un amplificador, un circuito controlador de rango, un circuito
que integra el valor hallado con respecto al tiempo y un indicador.
El decibelímetro integrador (monitor de nivel sonoro) es un instrumento diseñado para medir el
nivel sonoro continuo equivalente en un intervalo de tiempo seleccionado. Funciona casi igual
que un dosímetro de ruido. La diferencia entre este instrumento y el anterior es que uno
reconoce y evalúa el ruido en un punto y el otro lo hace en forma personal.
52
Decibelímetro profesional tipo 1 modelo SL-4022
* Frequency & time weighting meet IEC 61672 class 1.
* 3 rangos que abarcan de 30 a 130 dB
* Max. hold, Data hold.
* Frecuencia A/C, respuesta rapida o lenta.
* Salida AC.
* Calibrador interno de 94 dB
* Tamaño: 260 x 87 x 36 mm.
Audiómetro
En audiometría como ya se ha manifestado el estímulo que se trabaja es de tipo acústico. Se
trata de comprender de una manera muy general los fundamentos indispensables para diseñar
y construir un audiómetro computarizado; la gran mayoría de audiómetros que se utilizan en la
actualidad presentan problemas de calibración periódica, donde dicha calibración es demorada
y costosa pues debe enviarse el equipo al extranjero, además su mantenimiento presenta las
mismas dificultades puesto que es un equipo importado. Su medida de frecuencias e
intensidades es también muy subjetiva puesto que el margen de error está limitado sólo por el
oído del examinador en el momento de la prueba:
Por tanto los datos obtenidos no son muy confiables para el especialista. De allí la necesidad de
diseñar y construir un equipo de característica más especiales sin problemas de calibración,
medidas confiables y un mantenimiento y uso de fácil acceso.
Ya se había afirmado que la instrumentación electrónica
fusiona muchas áreas del
conocimiento, y en este caso particular, para hablar del audiómetro vamos a enfocarlo desde
tres puntos de vista que enunciamos a continuación: Desde el punto de vista de la medicina,
desde el punto de vista de la Física y desde el punto de vista de la electrónica.
Desde el punto de vista electrónico: Se desea describir entonces un audiómetro que automatice
las pruebas de un audiómetro básico, que controle los niveles de intensidad y frecuencia, que
visualice las respuestas en un monitor, que seleccione las pruebas según proceda el
examinador, que analice los resultados mediante gráficos imprimiéndolos simultáneamente y
que guarde esta información en un archivo
Bloque 1. Se trata inicialmente de escoger un generador de frecuencias cuyos valores se
encuentren entre 250 y 8000 hz, ya que los audiómetros básicos generan este rango de
frecuencias. Deberá generar señales senoidales entre 0.01 hertz hasta 1 megahertz: De la
misma manera podra producir ondas triangulares y cuadradas para otros tipos de estimulación.
Dentro de las características de un circuito generador de ondas se pedirá: Baja distorsión de
onda, excelente estabilidad a la temperatura, baja sensibilidad al voltaje de alimentación,
modulación de amplitud lineal, rango de voltaje simple
Bloque 2. Ya se había hablado acerca de la prueba de enmascaramiento, la cual consistía en
aplicar, al paciente que presenta problemas de lateralización, un ruido en el oído contrario, para
eliminar los resultados erróneos que se deriven de la audición cruzada. En este caso se utiliza
generalmente ruido blanco de banda estrecha, es decir el que ha sido filtrado para contener
solamente una banda restringida de ruido alrededor de una frecuencia central, pero puede
contar con un generador de ruido blanco de banda ancha.
53
Bloques 3 y 4. Atenuadores de 8 y 4 bits. Una de las partes importantes del audiómetro es la
etapa de atenuación para cada fuente generadora de frecuencia, ya que estas señales deben
de ser controladas en amplitud. Los atenuadores se operan por palabras de control que
provienen del software y determinan el grado de intensidad a establecer en la señal.
Bloque 5. Selector de canales: Este es el bloque previo a las etapas de audio y es el
responsable de colocar en el canal correcto la señal seleccionada. Ej.
- Señal de audio en el oído derecho
- Señal de audio en el oído izquierdo
- Señal de ruido blanco en el oído derecho
- Señal de ruido blanco en el oído izquierdo
Señal de audio en el oído derecho y ruido blanco por el izquierdo
- Señal de audio en el oído izquierdo y ruido blanco por el derecho.
Bloque 6 y 7. Amplificador de audio. Este integrado cuyo diseño está hecho para operar con
señales de audio, es el que se ha utilizado en el audiómetro, para amplificar las señales
provenientes del generador senoidal, del ruido blanco y también de los micrófonos que van
incorporados al sistema cuya función es permitir la comunicación entre el examinador y el
paciente
Bloque 8: Corresponde a una tarjeta de adquisición de datos que hace las veces de interfaz
entre el sistema electrónico diseñado y el computador; mediante ella se controlan las
diferentes partes del audiómetro con base
Vibrotáctil
Los sistemas de audición vibrotáctil se han enfocado en el desarrollo de aplicaciones para lograr
habilidades comunicativas en las personas con problemas de sordera profunda. Desde finales
de los años 50 se ha impulsado la construcción de dispositivos para la sustitución del habla
mediante estimulación táctil, que pueden servir de base para las aplicaciones de audición: tales
como rehabilitación, alarmas caseras, etc.
El proceso se basa en la obtención del sonido a partir de un micrófono, el posterior análisis en
bandas de frecuenciasy a partir de una FFT y la selección de la frecuencia y amplitud
significativa de ese intervalo o banda.
Con esta frecuencia y amplitud se genera una tensión que estimula vibradores (tantos como
bandas de análisis tengamos ), que son aplicados en diferentes posiciones del cuerpo.
Audífono
Los audífonos reciben el sonido a través de un micrófono, que luego convierte las ondas
sonoras en señales eléctricas. El amplificador aumenta el volumen de las señales y luego envía
el sonido al oído a través de un altavoz.
54
Podemos mencionar




Los audífonos endoaurales o intraauriculares (ITE, por su sigla en inglés) caben
completamente en el oído externo y son usados en los casos de pérdida de audición leve a
severa. La caja, que contiene las partes del audífono, se hace de plástico duro.
Los ITE pueden acomodar mecanismos técnicos agregados, como la bobina telefónica, una
pequeña bobina magnética contenida dentro del audífono que mejora la transmisión de
sonido durante las llamadas telefónicas. Los ITE pueden ser dañados por el cerumen de los
oídos y su tamaño pequeño puede causar problemas de ajuste y de acoplamiento. Los niños
generalmente no los usan porque las carcasas necesitan ser reemplazadas de acuerdo al
crecimiento del oído.
Los audífonos retroauriculares (BTE, por su sigla en inglés) se usan detrás del oído y
están conectados a un molde de oreja plástico que cabe dentro del oído externo. Las partes
de éste se ponen en una caja detrás del oído. El sonido se desplaza a través del molde al
interior del oído. Los BTE son usados por personas de todas las edades con pérdida de
audición leve a profunda. Los BTE que estén mal ajustados pueden acoplarse, causando un
silbido producido por el ajuste del audífono o por la acumulación de cerumen o líquido.
Los audífonos intracanales caben en el canal del oído y están disponibles en dos
tamaños. El audífono intracanal (ITC, por su sigla en inglés) está diseñado a medida para
ajustarse al tamaño y a la forma del canal del oído y se usa en los casos de pérdida de
audición leve a moderadamente severa. Los audífonos completamente en el canal (CIC,
por su sigla en inglés) están ocultos dentro del canal del oído y se usan en casos de pérdida
de audición leve a severa. Debido a su tamaño pequeño, los audífonos
intracanales pueden ser difíciles para el usuario de ajustar y extraer y no tienen espacio
para añadir otros dispositivos, como la bobina telefónica. Este tipo de audífonos también
puede ser dañados por el cerumen y el drenaje de los oídos. Normalmente no se
recomiendan a los niños.
Los audífonos de bolsillo que los pueden guardar en el bolsillo, se usan en personas
con pérdida de audición profunda. El audífono se adhiere a una faja o a un bolsillo de
Abercrombie y se conecta al oído por un cable. Debido a su gran tamaño, tiene la capacidad
para incorporar muchas opciones de procesamiento de señales (como la de la tele), pero se
usa generalmente sólo cuando otros tipos de audífonos no se pueden usar.
Implante coclear y de tronco encefálico
IMPLANTE COCLEAR
Un implante coclear puede ser definido como un aparato que transforma los sonidos y ruidos del
medio ambiente en energía eléctrica capaz de actuar sobre las aferencias del nervio coclear,
desencadenando una sensación auditiva en el individuo.
Como hemos señalado en la revisión histórica, han sido varios los equipos en el mundo que han
trabajado desarrollando diferentes tipos de implantes cocleares. Estos pueden clasificarse
atendiendo a tres criterios: ubicación de los electrodos (intra o extracocleares), número de
canales (mono o multicanales) y forma de tratar la señal sonora (extracción o no de los distintos
formantes del sonido).
También los implantes cocleares pueden ser clasificados de acuerdo al tipo de electrodos
(monopolares, bipolares), método de estimulación (pulsátil, continua) o forma de transmisión de
las señales a nivel de la piel (conexiones percutáneas o transcutáneas).
Todos estos sistemas tienen ventajas e inconvenientes, pero ha quedado demostrado que la
estimulación multicanal-intracoclear produce una superior capacidad de comprensión de la
palabra hablada que la estimulación monocanal o extracoclear. Los implantes cocleares están
indicados en pacientes que presentan una hipoacusia neurosensorial bilateral profunda de
asiento coclear, que se benefician de forma insuficiente o nula de los audífonos y que además se
55
sienten motivados hacia un implante coclear. Partiendo de los criterios de la “Federal Food and
Drug Administration”, esta indicación se concreta en individuos con umbrales auditivos
bilaterales superiores a 90dB
de media en las frecuencias de 500Hz, 1kHz y 2 kHz, que además presentan, en campo libre
con la utilización de audífonos, unos umbrales superiores a 55 dB y una discriminación de la
palabra inferior al 40%, empleando listas abiertas de palabras.
Actualmente se considera que un implante coclear está además indicado en casos Actualmente
se considera que un implante coclear está además indicado en casos de hipoacusias
neurosensoriales profundas en un oído y severas grado 2 (entre 81dB y 90 dB) en el oído
contralateral. La colocación del implante coclear se haría en el oído auditivamente peor, con la
posibilidad de usar, al mismo tiempo, un audífono en el oído audiométricamente mejor. Esta
forma de estimulación, denominada bimodal (Audífono+implante coclear), aporta una
estimulación binaural y con ello mejora los resultados en la discriminación del habla,
especialmente en ambientes de ruido.
En la actualidad se consideran contraindicaciones temporales o definitivas las siguientes
situaciones:
1. Malformaciones congénitas que cursan con una agenesia bilateral de la cóclea.
2. Ausencia de funcionalidad de la vía auditiva o presencia de enfermedades que originen una
hipoacusia de tipo central.
3. Enfermedades psiquiátricas severas.
4. Enfermedades que contraindiquen la cirugía bajo anestesia general.
5 .Ausencia de motivación hacia la implantación.
6. No cumplimiento de los criterios audiométricos.
Aunque los resultados obtenidos hasta ahora son satisfactorios y van mejorando a lo largo del
tiempo (nuevos procesadores, más experiencia en el uso por parte del paciente, etc.) la
comprensión auditiva del paciente no es la del oyente normal. El rendimiento auditivo está
disminuido en presencia de ruido ambiental o cuando se establece una comunicación con varios
interlocutores al mismo tiempo, exigiendo una actitud de mayor expectación ante la escucha que
en condiciones normales. En pacientes prelocutivos
adolescentes-adultos o en general en individuos con un gran período de deprivación auditiva, los
resultados se obtienen muy lentamente sin que se llegue a alcanzar, en la mayor parte de los
casos, un nivel de comprensión del habla en un contexto abierto.
IMPLANTE DE TRONCO CEREBRAL
Los pacientes con Neurofibromatosis tipo II (NF-2) pueden sufrir una pérdida total de la audición
debido al crecimiento del tumor o a la extracción quirúrgica de los neurinomas bilaterales.
Actualmente es posible restaurar una audición útil a estos pacientes mediante un implante
auditivo multicanal de tronco cerebral (IATC), que directamente estimula los núcleos cocleares
haciendo un by-pass de la cóclea y el nervio.
El primer IATC fue desarrollado en el House Ear Institute y fue realizado en 1979 por los Dres.
House y Hitselberger. En ese momento el dispositivo utilizado fue una prótesis monocanal, por
estimulación percutánea y basado en el sistema 3M-House de implantes cocleares. La paciente
tenía sordera bilaretal secundaria a la extracción de tumores bilaterales del nervio auditivo
debido a NF-2; esta tentativa fue temporariamente exitosa pero el electrodo fue inestable y las
sensasiones auditivas del paciente comenzaron a disminuir, apareciendo al mismo tiempo
sensaciones colaterales no auditivas que
impidieron el uso del IATC.
Luego de esta primera experiencia, los investigadores del Instituto House desarrollaron un
dispositivo más adecuado para ser colocado en el receso lateral del cuarto ventrículo, que
consistía en dos electrodos de platino montados en una pieza de dacron rectangular, diseñada
para promover la integración fibrosa. Entre 1984 y 1992, 25 pacientes fueron implantados con
este sistema de dos electrodos y con otro similar de tres electrodos (Brackman et. Al, 1993). Las
partes internas del implante se conectaban a un procesador
3M-House.
En colaboración entre el House Institute, Cochlear Corporation y Huntington Medical Research
Institute, se comenzó en 1989 a desarrollar una nueva generación de IATC: los implantes
multicanales basados en el sistema Nucleus 22 de Cochlear. En 1992 fue implantado el primer
paciente con este dispositivo de ocho electrodos en una placa y un electrodo externo para ser
56
activado como tierra. Esta prótesis multicanal ha sido desarrollada basándose en el implante
cochlear Nucleus 22.
En 1999 un nuevo sistema de 21 electrodos, teniendo dos electrodos externos al conjunto de
electrodos, con posibilidad de funcionar como electrodos tierra, comenzó a ser usado.
La placa de electrodos se coloca sobre la superficie de los núcleos cocleares en el receso lateral
del cuarto ventrículo en el momento de la extracción translaberíntica del tumor. La estimulación
se realiza a través de un sistema transcutáneo, pudiendo utilizarse una variedad de estrategias
de codificación y modos de estimulación, dependiendo de las respuestas individuales ante la
estimulación eléctrica. En la mayoría de los casos ha sido posible utilizar múltiples electrodos en
los mapas de calibración, sin efectos colaterales marcados.
En general, la utilización de electrodos múltiples ha resultado en mejores percepciones auditivas
en pacientes implantados con el IATC.
Descripción del dispositivo multicanal de 8 electrodos
Este implante utiliza las mismas partes externas del Nucleus 22 (procesador del habla,
micrófono, cables, bobina transmisora externa e imán).
Un nuevo grupo de electrodos fue diseñado para su colocación en el receso lateral del cuarto
ventrículo. Está compuesto por 8 electrodos de platino-iridium de 1 mm de diámetro, colocados
en dos filas paralelas sobre un rectángulo de dacron de 3 mm de ancho, 8 mm de largo y 1 mm
de espesor. Un electrodo adicional, en la superficie lateral del receptor estimulador (colocado en
mastoides) sirve como electrodo tierra a los efectos de usar el modo de estimulación monopolar.
Dos cambios importantes se realizaron al receptor estimulador Nucleus para hacer el IATC
compatible con resonancia magnética nuclear, que es frecuentemente necesaria en los
pacientes con NF- 2, debido al desarrollo de tumores intracranianos y espinales. El circuito
integrado del
implante se cambió a material no ferroso y el magneto interno es removible.
El procesador del habla Spectra 22 es usado, pero el sistema de diagnóstico y programación
provee modos de estimulación adicionales. Para mantener las partes externas del implante en
pacientes en los que el imán externo fue removido en la cirugía se utiliza un trozo de metal con
un adhesivo, cubriéndolo (disco retenedor) que es colocado en la piel, sobre el implante,
haciendo contacto con el imán externo.
Descripción del dispositivo multicanal de 21 electrodos
Es un híbrido del implante Nucleus 24, cuyo procesador del habla, micrófono, bobina transmisora
externa y cables utiliza. Consta de 21 discos de platino de 0.7 mm de diámetro, colocados en
tres filas paralelas en un rectángulo de dacron. Tiene dos electrodos fuera del conjunto, con
posibilidades de ser tierra o referencia, constituyendo dos modos diferentes de estimulación:
Monopolar I (con electrodo bolita) y Monopolar II (con electrodo placa). El procesador del habla
Sprint del implante Nucleus 24 con posibilidad de contener cuatro programas diferentes es
usado. La estrategia Speak puede ser usada.
Criterios de selección
Debido a la naturaleza de los tumores producidos por la NF-2 y la privación de la audición
residual por el abordaje quirúrgico trans-laberíntico, no se establece criterio audiológico
específico. Los criterios de selección utilizados en la actualidad son:
- Diagnóstico de NF-2.
- 12 años de edad o mayor (poslingual).- Necesidad de remoción tumoral (1ro. ó 2do. lado).
- Apto desde el punto de vista médico y psicológico. - Expectativas realísticas.
- Deseos de participar en sesiones regulares de programación, en evaluaciones y seguimiento,
como es establecido por el protocolo de investigación.
Contraindicación
El uso de radioterapia estereotáxica en las proximidades de los núcleos cocleares.
Lado a implantar
57
Puede ser:
- Durante la extracción del tumor del segundo lado.
- Durante la extracción del tumor del primer lado. Debido a que la sordera bilateral total es
inevitable en estos pacientes, la implantación durante la extracción del primer tumor en el ángulo
pontocerebeloso es permitido en pacientes más jóvenes para proveer una segunda oportunidad
para colocación del implante si la primera no resultara óptima. La implantación en el primer lado
también permite a los pacientes ajustarse a la información eléctrica a medida que la audición
empeora en el otro oído.
- En reoperaciones.
Candidatos a considerar
1- Ambos tumores previamente removidos (ya aprobado por F.D.A.).
2- Neuropatías de otras etiologías.
3- Menores de 12 años.
4- Sordos prelinguales con agenesia de n. auditivos.
Condiciones o relaciones anatómicas
Los electrodos del I.A.T. tienen que ser colocados en contacto con los núcleos cocleares ventral
y dorsal. Los núcleos no son visibles para el cirujano desde cualquier tipo de abordaje y deben
ser localizados en base a las estructuras anatómicas que rodean al foramen de Luschka. A
través del mismo se penetra en el receso lateral del bulbo y se puede llegar al cuarto ventrículo.
Inmediatamente inferior al foramen se encuentra la raíz del nervio glosofaringeo y superior al
mismo entran las raíces de los nervios octavo
(cocleovestibular) y séptimo (facial).
Los núcleos cocleares están en la superficie del tronco cerebral en la parte superior del receso
lateral. El punto fundamental para estimular es el núcleo coclear ventral el cual constituye el
principal relevo neuronal en la vía auditiva ascendente.
La estimulación auditiva inicial y programación del procesador del habla se realiza generalmente
6 semanas después de la cirugía. Durante la programación del implante se instruye al paciente
sobre la posibilidad de aparición de sensaciones no auditivas ante el estímulo eléctrico (efectos
colaterales). Estas sensaciones pueden aparecer por la estimulación de algunos electrodos, por
ejemplo, hormigueo en la cabeza, en el tórax, vértigo, inestabilidad, estimulación facial,
sensaciones vibratorias en el ojo, movimientos involuntarios en la mano, brazo, pierna
(generalmente homolateral al implante), alteraciones del ritmo cardíaco, dolor en la nuca, en la
cabeza, alrededor del oído, etc. El manejo y evaluación del grado de importancia de estos
efectos colaterales se realiza de rutina para ver la posibilidad de inclusión del electrodo en la
programación. Para lograrlo puede ser necesario cambiar el modo de estimulación, alterar la
duración de los pulsos o si no fuera posible reducir o hacer desaparecer las sensaciones no
auditivas, se elimina el electrodo del mapa. Puede ocurrir que los efectos colaterales
desaparezcan con el uso del implante, en cuyo caso esos electrodos pueden reincorporarse al
mapa del procesador. Una variedad de modos de estimulación pueden emplearse en la
programación, modo monopolar, bipolar y una combinación “variable” de ambos. En forma
similar una variedad de estrategias de codificación es accesible.
Durante la programación se realiza la medición de los umbrales mínimos y máximos confortables
en los distintos electrodos y, de aparecer sensaciones no auditivas, las clasificamos según lo
detallado anteriormente. Aunque la aparición de estimulación facial como efecto colateral es
poco frecuente en los implantados cocleares, la aparición de efectos no auditivos es frecuente en
los implantados de tronco cerebral por la gran proximidad de núcleos motores y sensitivos dentro
del tronco cerebral. Debido a que el control de muchas actividades autónomas críticas está
localizado en el tronco cerebral, los signos vitales son de rutina monitoreados durante la
programación inicial del IATC y cada vez que un nuevo electrodo debe ser encendido. Luego de
realizada la medición de los electrodos, una parte crucial de la programación es el ordenamiento
de los mismos, de acuerdo a la percepción de altura tonal que ellos producen. A diferencia de la
simple organización tonotópica coclear, los núcleos cocleares presentan una compleja y en
muchos casos totalmente aleatoria organización tonotópica. Debido a la complejidad de esa
58
organización y a las variaciones en situación de los electrodos de paciente a paciente, una
detallada exploración de la altura tonal de cada electrodo es necesaria en la programación.
Algunos pacientes demuestran un aumento o disminución en la percepción de la altura tonal
cuando se estimulan los electrodos de laterales a mediales.
Equipo para el estímulo y registro de Otoemisiones acústicas
Las otoemisiones acústicas pueden ser espontáneas o la respuesta de la cóclea a un estímulo
sonoro. Ponen en evidencia el carácter no lineal de su comportamiento.
Las otoemisiones acústicas no espontáneas son:
1) Otoemisiones acústicas transitorias (TOAE).
Se generan a partir de estímulos clicks de banda ancha (0.5-6 KHz o 0.5 –4 KHz). Ya hemos
visto el tipo de espectro de estos estímulos.
2) Otoemisiones acústicas por producto de distorsión (DPOAE).
Los estímulos son dos tonos puros f1 y f2, tal que f2/f1 = 1.2. Modificándole valor de una de
ellas queda definida la otra y se puede realizar un barrido frecuencial.
Las OEA tienen una amplitud de entre 15 y 25 dB SPL dentro del conducto auditivo.
ADQUISICIÓN DE LAS OAES.
1. Otoemisiones acústicas transitorias
Sonda: un emisor y un micrófono.
Parámetros habituales del estímulo







Intensidad del estímulo 50-120 dB SPL. (default 80)
Estímulo click 4Frecuencia: f = 50-70 Hz
Separación entre el estímulo y el análisis entre 20- 10 ms (Compatible con la posibilidad
de análisis y la frecuencia de muestreo).
Tiempo de análisis 2.5 - ts ms
Polaridad del estímulo: se elige (la otoemisión se invierte con la polaridad).
Algunos equipos tienen la posibilidad de generar un estímulo no lineal (3 estímulos de
polaridad positiva, 1 estímulo de polaridad negativa de una amplitud 3 veces la amplitud
del tren de positivos) para que los rebotes se cancelen.
Forma de análisis
La respuesta adquirida por el micrófono se almacena en dos buffers en forma alternada si se usó
el estímulo normal o cada 4 estímulos si se utilizó la variante no lineal.
Se utiliza el tiempo entre 2.5 y 20 ms
Las ondas se van promediando
Se promedian del orden de 500 ondas en total
Los registros de cada buffer se a) restan, b) correlacionan.
Se realiza el promedio de las FFT del total de los registros
Se superpone el espectro de ruido al espectro de las OAE.
Parámetros de detección
59
Correlación > 0.7
Diferencia entre los buffers dentro del error
Espectro de las Otoemisiones al menos 6 dB por encima del espectro de ruido.
Espectro característico
2. Otoemisiones acústicas por producto de distorsión.
Sonda: dos emisores y un micrófono.
Parámetros del estímulo






Intensidad del estímulo 50-120 dB SPL. (default 55 y 65 dB)
Tipo: dos tonos puros f1 y f2 tq f2/f1 = 1.2. Se buscan los valores audiométricos para f2
(500, 1000, 2000, 3000, 4000 Hz)
Duración: Constante durante el test.
Tiempo de rechequeo de sonda: a determinar.
Tiempo de análisis: a determinar.
Polaridad del estímulo: se elige (la oto se invierte con la polaridad).
Forma de análisis
La respuesta adquirida por el micrófono se almacena en trenes de X ms.
Los trenes se promedian o se promedia su FFT.
Ver la posibilidad de analizar enclave en faseSe promedian del orden de 500 ondas en total
Parámetros de detección
Espectro de las Otoemisiones al menos 6 dB por encima del espectro de ruido.
Espectro característico con los picos del estímulo y los picos de
DP1 = 2f1-f2
DP2 = 2f2-f1 menor intensidad.
DP-grama: Hace falta estadística o sacarla de algún equipo ya diseñado y compararla una vez
realizado el prototipo.
Existen equipos clínicos y de diagnóstico rápido. Estos últimos permiten solamente una
conclusión pasa-no pasa. Por lo general se puede modificar el umbral de ruido tolerable y la
cantidad de frecuencias de barrido que resultan en un test aceptado. Habitualmente se comienza
con las OEA por producto de distorsión con frecuencias entre 1000 y 4000Hz y se pide que su
nivel esté por encima del ruido en 6 dB.
En el caso de este estudio un punto crítico es la colocación de la sonda y el control del ruido
ambiente. Es importante una revisación del conducto auditivo previa al estudio.
Equipamiento para la adquisición de Potenciales evocados auditivos
Este estudio si bien está relacionado con el sentido del oído es esencialmente un estudio
neurofisiológico. Esto se debe a que si bien el estímulo es auditivo, la respuesta la buscamos en
el EEG
Los potenciales evocados auditivos que se adquieren habitualmente son:
PA de4 Corta latencia, o potenciales evocados de tronco cerebral. A estos potenciales se
los estimula por clicks y actualmente está prefiriéndose la estimulación por pips o tonos puros.
Su latencia está entre 1.5 y 15 ms. No dependen del estado de atención ni de vigilia.
PA de Latencia media: Estos potenciales tienen latencias entre 15 y 50 ms aproximadamente.
No son tan regulares como los de latencia corta. En muchos casos dependen del estado de
60
atención y de vigilia. Pueden usarse para hacer monitoreo de anestesia. Los estímulos que se
emplean son variados. Tonos puros, tonos alternados, palabras, etc. Su origen está entre el
tronco y la corteza
PA de Latencia larga: Estos potenciales a veces se conocen como cognitivos. Su latencia es
superior a los 50 ms. Los estímulos pueden ser como en los potenciales de latencia media muy
variados, pero en este caso la participación del sujeto es fundamental: Los más buscados son el
MMN, P300 y P300 a y b. Su origen está en la corteza.
Otro tipo de potenciales evocados son los de estado estable y estímulo de 40 Hz. En estos
casos los estímulos son continuos. Sus latencia están entre las latencia media y largas
tempranas. Por eso motivo también sus orígenes difieren.
Dada esta variedad de estudios, un equipo que registre potenciales evocados deberá tener en su
estructura todos los elementos que hemos visto hasta el momento.
Constará de un preamplificador y un amplificador para registrar la señal EEG a través d
electrodos colocados en lugares establecidos. Esta ubicación dependerá del tipo de potencial
evocado en cuestión. A su vez deberemos considerar todo o dicho respecto a la colocación de
los electrodos.
El estímulo estará generado por otro módulo y deberá tener la versatilidad de generar todas las
variantes que hemos mencionado y los ruidos de enmascaramiento. Por otra parte deberá poder
modificar la frecuencia de los estímulos.
Deberá tener a su vez la posibilidad de contar con filtros que ajusten la ventana de registro
según se trate de potenciales de latencia corta, media y larga.
Dado que estos estudios miden la latencia entre el estímulo por una parte y la respuesta EEG
por otra ambos procesos (estimulación y registro) deberán estar sincronizados.
Como el potencial evocado es una señal que aparece inmersa en el EEG, deberemos considerar
en el tratamiento a posteriori de la adquisición de la señal respuesta
61
Bibliografía
Tipler P., Física, 3ª Edición. Editorial Reverté. 1990
Gonzalo de Sebastian, Audiologia Práctica
James W. Hall III, New Handbook of Auditory Evoked Responses. Pearson Education Inc. 2007.
Altschuler, R.A., Parakkal, M.H., Rubio, J.A., Hoffman, D.W., Fex, J. (1984) Enkephalin-like
immunoreactivity in the guinea pig organ of Corti: ultrastructural and lesion studies. Hear Res. 16:
17-31.
Assad, J.A., Corey, D. P. (1992) An active motor mediates adaptation by vertebrates hair cells. J
Neurosci. 12: 3291-3309.
Benedix, J.H. Jr., Pedemonte, M., Velluti, R.A., Narins, P.M. (1994) Temperature dependence
of two-tone suppression in the auditory nerve of the frog. J Acoust Soc Am. 96: 2738-2745.
Berglund, A.M., Ryugo, D.K. (1987) Hair cell innervation by spiral ganglion neurones in the
mouse. J Comp Neurol. 255: 560-571.
Blanco Susana (Otoemisiones acústicas) Notas para el diseño de un equipo de medición
de otoemisiones acústicas( 2011).
Blanco S., Curcio V, Paper de Estado estable
Brown, J.N., Nuttall, A.L. (1994) Autoregulation of cochlear blood flow in the guinea pig. Am J
Physiol. 266: 458-467.
Brownell, W.E., Bader, C.R., Bertrand, D., de Ribaupierre, Y. (1985) Evoked mechanical
responses of isolated cochlear hair cells. Science 227: 194-196.
Corey, D.P., Hudspeth, A.J. (1979) Ionic basis of the receptor potential in a vertebrate hair
cell. Nature 281: 675-677.
Crawford, A.C., Fettiplace, R. (1981) Non-linearities in the responses of turtle hair cells. J
Physiol. (Lond) 315: 317-338.
Dallos, P. (1985) Response characteristics of mammalian cochlear hair cells. J Neurosci. 5:
1591-1608.
Dallos, P. (1996) Overview: Cochlear neurobiology. En: The Cochlea. P. Dallos, A..N. Popper
and R.R. Fay (Eds). Springer. pp. 1- 43.
Dallos, P., Evans, B.N., Hallworth, R. (1991) Nature of the motor element in electrokinetic
shape changes of cochlear outer hair cells. Nature 350: 155-157.
Dallos, P., Harris, D. (1978) Properties of auditory nerve responses in absence of outer hair
cells. J Neurophysiol. 41: 365-383.
Dallos, P., Santos-Sacchi, J., Flock, Å. (1982) Cochlear outer hair cells: intracellular
recording. Science 218: 582-585.
62
Dannhof, B.J., Bruns, V. (1993) The innervation of the organ of Corti in the rat. Hear Res. 66: 822.
Dijk, P., Narins, P.M., Wang, J. (1996) Spontaneous otoacoustic emissions in seven frog
species. Hear Res. 101: 102-112.
Engström, H. (1958) Structure and innervation of the inner ear sensory epithelia. Int Rev
Cytol. 7: 535-585.
Fuchs, P.A., Evans, M.G. (1988) Voltage oscillations and ionic conductances in hair cells
isolated from the alligator cochlea. J Comp Physiol A 164: 151-163.
Hackney, C.M., Furness, D.N., Benos, D.J. (1991) Localization of putative mechanoelectrical
transducer channels in cochlear hair cells by immunoelectron microscopy. Scan Microscop. 5:
741-746..
Holley, M.C. (1991) High frequency force generation in outer hair cells from the mammalian
ear. Bioessays 13: 1-6.
Holley, M.C. (1996) Outer hair cell motility. En: The Cochlea.P. Dallos, Popper, A.N., R.R. Fay
(Eds). Springer. pp. 386- 434.
Howard, J., Hudspeth, A.J. (1988) Compliance of hair bundle associated with gating of the
mechanoelectric transducer channels in the bullfrog´s saccular hair cell.Neuron 1: 189-199.
Hudspeth, A.J. (1982) Extracellular current flow and the site of transduction by vertebrate hair
cells. J Neurosci. 2: 1-10.
Hudspeth, A.J., Corey, D.P. (1977) Sensitivity, polarity, and conductance change in the
response of vertebrate hair cells to controlled mechanical stimuli. Proc Natl Acad Sci. 74:24072411.
Iurato S., Franke K., Luciano L., Wermbter G., Pannese E. & Reale E. (1976a) Fracture faces
of the junctional complexes in the reticular membrane of the organ of Corti. Acta Otolaryngol. 81:
36-47.
Kachar, B., Brownell W.E., Altschuler R., Fex J. (1986) Electrokinetic shape changes of
cochlear outer hai cells. Nature 322: 365-368.
Kalinec, F., Kachar B. (1995) Structure of the electromechanical transduction mechanism in
mammalian outer hair cells. En: Active Hearing. Flock A., Ottoson, D., Ulfendahl, M., Kidlington,
U.K (Eds) Pergamon. pp. 181-193.
Kemp, D.T. (1978) Stimulated acoustic emissions from within the human auditory system. J
Acous Soc Am. 64: 1386-1391.
Kimura, R.S. (1975) The ultrastructure of the organ of Corti. Int Rev Cytol. 42: 173-222.
Nadol, J.B. (1978) Intercellular junctions in the organ of Corti. Ann Oto Rhino Laryngol. 87: 7080.
Nadol, J.B. (1983) Serial section reconstruction of the neural poles of hair cells in the human
organ of Corti. II.Outer hair cells. Laryngoscope 93: 780-791.
Nadol, J.B. (1988) Comparative anatomy of the cochlea and auditory nerve in mammals. Hear
Res. 34: 253-266.
63
Nadol, J.B., Mulroy, M.J., Goodenough, D.A., Weiss, T.F. (1976) Tight and gap junctions in a
vertebrate inner ear. Am J Anat. 147: 281-302.
Nielsen, D.W., Slepecky, N. (1986) Stereocilia. En: Neurobiology of hearing: The cochlea.
Altschuler R.A., Hoffman D.W., Bobbin R.P. (Eds) New York. Raven Press. pp. 23-46.
Nobili, R., Mammano, F., Ashmore, J. (1998) How well do we understand the cochlea? Trends
Neurosci. 21: 159-167.
Oesterle, E.C., Dallos, P. (1989) Intracellular recordings from supporting cells in the guinea pig
cochlear: AC potentials. J Acoust Soc Am. 86: 1013-1032.
Palmer, A.R., Russell, I.J. (1986) Phase-locking in the cochlear nerve of the guinea-pig and its
relation to the receptor potential of inner hair-cells. Hearing Res.24: 1-15.
Pedemont, M, Naris, P.(1999) Las células ciliadas de la cóclea, un ejemplo de transducción
bidireccional. Actas de Fisiología, 5: 79-107
Psicoacústica: http://www.eumus.edu.uy/eme/cursos/acustica/apuntes/
Russell, I.J., Cody, A.R., Richardson, G.P. (1986) The responses of inner and outer hair cells
in the basal turn of the guinea-pig cochlea and in the mouse cochlea grown in vitro. Hear
Res. 22: 199-216.
Russell, I.J., Richardson, G.P. (1987) The morphology and physiology of hair cells in
organotypic cultures of the mouse cochlea. Hear Res. 31: 9-24.
Santos-Sacchi, J. (1989) Asymmetry in voltage-dependent movements of isolated hair cells from
the organ of Corti. J Neurosci. 9: 2954-2962.
Santos-Sacchi, J., Dilger, J.P. (1988) Whole cell currents and mechanical responses of outer
hair cells. Hear Res 35: 143-150.
Schroeder M. R. (1975) Models of Hearing. Proceedings of the IEE, Vol 63 n9
Sellick, P.M., Patuzzi, R., Johnstone, B.M. (1982) Measurement of basilar membrane motion in
the guinea pig using the Mösbauer technique. J Acoust Soc Am.72: 131-141.
Sepúlveda, C. (2009) Creación de un modelo eléctrico análogo al sistema auditivo . Tesis de
Ingeniería en Sonido. Instituto Profesional AIEP, Santiago de Chile.
Slepecky, N.B. (1989) An infracuticular network is not required for outer hair cell
shortening. Hear Res. 38: 135-140.
Slepecky, N.B. (1996) Structure of the mammalian cochlea. En: The Cochlea. P. Dallos, A..N.
Popper, R.R. Fay (Eds). Springer. pp. 45-129.
Smotherman, M.S., Narins P.M. (1995) Temperature dependence of resonant frequency in frog
saccular hair cells. Soc Neurosci. pp 397.
Sobkowicz, H.M., Slapnick, S.M., August, B.K. (1993) Presynaptic fibers of spiral neurons and
reciprocal synapses in the organ of Corti in culture. J Neurocytol. 22: 979-993.
Spoendlin, H. (1968) Ultrastructure and peripheral innervation pattern of the receptor in relation
to the first coding of the acoustic message. En: Hearing mechanisms in vertebrates. DeReuck
A.V.S., Knight J. (Eds). London. Churchill. pp. 89-119.
64
Spoendlin, H., Lichtensteiger, W. (1966) The adrenergic innervation of the labyrinth. Acta
Otolaryngol. 61: 423-434.
Stiebler, I.B., Narins, P.M. (1990) Temperature-dependence of auditory nerve response
properties in the frog. Hear Res. 46: 63-82.
Thompson, G.C., Cortez, A.M., Igarashi, M. (1986) GABA-like immunoreactivity in the squirrel
organ of Corti. Brain Res. 372: 72-79.
Thorne, P.R. & Nuttall, A.L. (1987) Laser Doppler measurements of cochlear blood flow during
loud sound exposure in the guinea pig. Hear Res. 27: 1-10.
Velluti, R.A., Pedemonte, M. (1986) Differential effects of benzodiazepines on cochlear and
auditory nerve responses. Electroenceph clin Neurophysiol. 64: 556-562.
Velluti, R.A., Pedemonte, M., García-Austt, E. (1989) Correlative changes of auditory nerve
and microphonic potentials throughout sleep. Hear Res. 39: 203-208.
Wangemann, P., Schacht, J. (1996) Homeostatic mechanisms in the cochlea. En: The Cochlea.
P. Dallos, A..N. Popper, R.R. Fay (Eds). Springer. pp. 130-185.
Warr, W.B. (1992) Organization of olivocochlear efferent systems in mammals. En: Mammalian
Auditory Pathway: Neuroanatomy. Webster, A.N. Popper, R.R. Fay (Eds). New York, SpringerVelag, pp. 410-448.
Zenner, H.P., Reuter, G., Plinkert, P.K., Zimmermann, U., Gitter, A.H. (1989) Outer hair cells
possess acetylcholine receptors and produce motile responses in the organ of Corti. En:
Cochlear mechanisms. Wilson J.P., Kemp D.T. (Eds) New York. Plenum Publishing. pp. 93-98.
Zwislocki, J.J., Slepecky, N.B., Cefaratti, L.K., Smith, R.L. (1992) Ionic coupling among cells
in the organ of Corti. Hear Res. 57: 175-194.
Prof. Dr. Vicente G. Diamante, Lic. Norma Pallares Implante de Tronco cerebral. Artículo 23
Implante de cóclea Comisión de expertos. Real Patronato de Prevención y Atención a Personas
con Minusvalía- Madrid- España. Revisado por Dr. Manuel Manrique, (2009)
65
Ejercicios
CAPÍTULO 1
Escribir en la notación opuesta los siguientes números
138000 =
0,000235 =
123,4 X 10 15 =
0,763 X 10-6 =
log10 10=
log10 108 =
log10 10-4 =
Cual es el cociente entre las intensidades de un sonido de 90 dB y otro de 60dB
Establecer la frecuencia de resonancia de un conducto auditivo promedio de un adulto y de un
recién nacido.
Planteo: en cuántas partes dividimos una señal de 50 mV cometiendo un error de 1%
Suponemos que llegamos a la tierra y sabemos que el amanecer es un proceso periódico, cada
cuanto tiempo deberíamos tomar una muestra y así conocer el período de la salida del sol.
Trompa de Eustaquio: Cambia la propagación del sonido al cambiar la presión en el oído medio?