Diseño e implementación de un audiómetro con Raspberry Pi

Abstract

En primer lugar se ha de explicar qué es un audiómetro. Un audiómetro es un aparato de medida cuya funcionalidad consiste en establecer el umbral de audición de la persona que es sometida a la prueba. Esta evaluación lleva por nombre audiometría, y consiste en pruebas subjetivas para evaluar la pérdida de audición de la persona que se somete a ella. Dichos ensayos audiométricos han de cumplir la normativa ISO 8253, la cual indica cómo se ha de proceder en los mismos: la disposición del oyente, la cualificación del operario que realiza la medición, las condiciones en el entorno para que este ensayo sea realizado, la incertidumbre de estas medidas, cómo se han de preparar la instrumentación sometida a ensayo, la lectura de los audiogramas, el ruido ambiente admitido, etc. En el caso del proyecto diseñado, las audiometrías se realizarán por conducción aérea y la señal de ensayo serán tonos puros. Las frecuencias a evaluar son las llamadas frecuencias convencionales (FC), que son las octavas que van desde 125Hz a 8 kHz. La norma ISO 7029 establece una distribución estadística de los umbrales de audición, pero para este proyecto se han utilizado los umbrales de audición obtenidos de la tesis doctoral de Antonio Rodríguez Valiente, que son clasificados, al igual que la norma anteriormente mencionada, en función de la edad, el sexo, pero son pruebas en lo referente a la población española. Dichas curvas establecen los umbrales de audición en niveles SPL dB. Por umbral de audición se entiende como el nivel mínimo de presión sonora necesario para ser detectado por un oyente, en ausencia de otros sonidos. Dicho umbral depende de diversas características del sonido que se emite y del receptor que lo oye. En lo referente a audiómetros, el equipo ha de cumplir la norma UNE-EN 60645-1, la cual habla de requisitos relacionados con la respuesta en frecuencia, la distorsión armónica, la relación señal a ruido, los niveles de presión, etc. A su vez, se diferencian cuatro tipos de audiómetros, el audiómetro a implementar en este proyecto, es el de tipo 2. Los requisitos de este tipo de audiómetro se ajustan mejor a los objetivos de este proyecto. Para el desarrollo del mismo se ha utilizado la placa de desarrollo Raspberry Pi 3 B+, a la que por medio de los pines GPIO (General Purpose Input/Output) se ha añadido la tarjeta de sonido estéreo Audio injector. En dicha placa está embebido el sistema operativo Raspbian de Mathworks. En dicho sistema se encuentra instalada la aplicación del audiómetro, que ha sido diseñada desde MATLAB/Simulink. Dicha aplicación permite recibir vía UDP (User Datagram Protocol) las directrices necesarias para hacer una correcta audiometría, es decir, son la selección del tono de frecuencia que se desea ser emitido, el nivel del mismo y el canal por el que se desea transmitir. Estas órdenes llegan a un código implementado en MATLAB (System object) que lo procesa y lo ejecuta. Como salida del sistema referente a la Raspberry Pi se encuentran los auriculares DD45, que cumplen los requisitos para realizar estas medidas, habiéndose sido calibrados previamente. Estos son conectados a la tarjeta de sonido por medio del conector de auriculares (headphones). La interfaz que ayuda al operario a comunicarse con el oyente es un teléfono móvil, con sistema operativo Android 9, en él está instalada la aplicación que permite al operario modificar los parámetros antes mencionados, así como ver representada en forma de gráfica el umbral de audición del oyente (una vez haya terminado la prueba) junto a la curva típica según su edad y sexo. Una vez finalizada la audiometría, se podrá obtener un informe detallado de los resultados de la prueba, en ambos canales, y ser enviado al paciente vía correo electrónico a la dirección que haya indicado en la aplicación. El lenguaje de programación utilizado para el diseño de esta aplicación es Java, y XML (eXtensible Markup Language) para la interfaz gráfica. Como ha sido citado anteriormente, el protocolo de comunicación entre estos dos equipos es el protocolo UDP. Para que haya comunicación entre ambos estos han de estar en la misma red. Es por ello por lo que se crea desde el teléfono móvil un punto de acceso inalámbrico (wireless access point, WAP), dando lugar a una red privada entre el dispositivo móvil y la Raspberry Pi. Es necesario asignar previamente una dirección IP estática a la Raspberry, para poder así crear un socket y comunicar ambos dispositivos. Una vez creada esta comunicación se procede al envío de datagramas desde el teléfono a la Raspberry con la información del canal, la frecuencia y el nivel. Esta procesa dicha información de forma continua y a tiempo real, y se lo transmite a la tarjeta de sonido para ser reproducida. Tras evaluar todas las frecuencias y canales se obtendrá el resultado de la audiometría. En lo referente al presupuesto del mismo es de 205,94€, de los cuales el alumno ha asumido 63,26€ y el resto son artículos aportados por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Los resultados de las audiometrías realizadas, filtradas por edad y sexo, tienen gran correlación con los umbrales de audición medios, de acuerdo a esos parámetros. Abstract: At first, it has to be explained what is an audiometer. An audiometer is a measurement device. This evaluation is called audiometry, and it can measure the threshold of hearing of a person with subjective tests. These audiometric tests must comply with ISO 8253 standard, which indicates how to proceed: the position of the listener, the qualification of the operator who has to performance the measurement, the weather conditions for this test to be carried out, the uncertainty of these measurements, how to prepare the instrumentation, the reading of the audiograms, the accepted ambient noise, etc. In the case of the designed project, the audiometries will be performed by air conduction and the test signal will be pure tones. The frequencies to be evaluated are called conventional frequencies, which are the octaves ranging from 125Hz to 8 kHz. The ISO 7029 standard establishes a statistical distribution of the hearing thresholds, but for this project it has used the hearing threshold obtained from the doctoral thesis of Antonio Rodríguez Valiente, which are classified, as the previous norm, based on age, sex, but they are tests in relation to the Spanish people only. These curves establish the hearing thresholds in SPL dB levels. The threshold of hearing is understood as the minimum level of sound pressure necessary to be detected by a listener, in absence of the other sounds. This threshold depends on various characteristics of the sound that is emitted, and the receiver that listen it. Regarding audiometers, the system has to comply with UNE-EN 60645-1 standard, which determined the requirements related with frequency response, harmonic distortion, signal to noise ratio, pressure levels, etc. In this norm talks about four types of audiometers, the audiometer to be implemented in this project is type 2. The requirements of this type are better adjusted to the objectives of this project. To the development of this audiometer has been used the single-board computer of Raspberry Pi 3 B+, which by GPIO (General Purpose Input/Output) pins has been added the stereo sound card Audio Injector. The Raspbian operating system of Mathworks is embedded in this board. In this system is installed the audiometer application, which has been designed from MATLAB/Simulink. This application allows receiving via UDP (User Datagram Protocol) the necessary guidelines to make a correct audiometry. These are the selection of the frequency of the tone, the level of the same one and the channel by which it is desired to transmit. These parameters arrive at a code implemented in MATLAB (System object) that processes it and executes it. As output of the Raspberry system is the DD45 headphones, these complies the requirements to realize these measurements, having been previously calibrated (by an ear simulator). These are connected to the sound card by means of the headphone jack. The interface that helps the user to communicate with the listener is a mobile phone, with Android 9 operating system, in this mobile phone it is installed the application which permit to the technician change the parameters (previous mentioned), as well as seeing the listener‟s hearing threshold (once the test is finished) represented next to the typical curve according to age and sex. Once the audiometry is finished, the user can obtain the results of the test, in both channels, and sent to the patient via email (to the address indicated in the application). The programming language used for the design of this application is Java, and XML (eXtensible Markup Language) for the graphic interface. As mentioned above, the communication protocol between these two devices is the UDP protocol. In order to be communicate this devices, they have to be in the same network. This is the reason about a WAP (Wireless Access Point) is created from the mobile phone, allowing a private network between the mobile device and the Raspberry Pi. It is necessary previously to assign a static IP address to the Raspberry, in order to create a socket and communicate both devices. Once this communication is created, datagrams are sent from the phone to the Raspberry with the channel, frequency and level information. It processes this information continuously and in real time, and transmits it to the sound card to be reproduced. At the end, after evaluating all the frequencies and channels, the result of the audiometry will be obtained. With regard to the Budget of the Project is 205.94€, of which the student has paid 63.26€ and the rest are articles contributed by Universidad Politécnica de Madrid (UPM). The results of the audiometries performed, filter by age and sex, have a high correlation with the average hearing thresholds, according to these parameters.