Projetando Aparelhos de Ajuda Auditiva (ART671)

A Texas Instruments (www.ti.com) disponibilizar na internet uma vasta documentação em que descreve uma grande quantidade de recursos para o projetista de equipamentos de ajuda auditiva. Esta documentação vai desde a discussão dos desafios que o projetista encontra ao projetar este tipo de equipamento até sugestões de componentes específicos que podem ser utilizados como soluções para projetos definitivas. Até mesmo placas de avaliação podem ser encontradas para que os interessados vejam o desempenho dos componentes da Texas Instruments neste tipo de projeto. Neste artigo, reunimos informações desta documentação e as passamos aos leitores interessados. Nesta atualização de 2012, constatamos que a linha de produtos para aplicações médicas da Texas já é bem maior e está constantente atualizada. Verifique antes de usar os recursos sugeridos em um projeto.

Os projetistas de aparelhos de ajuda auditiva encontram muitos desafios a serem enfrentados. Os equipamentos de ajuda auditiva devem ser extremamente pequenos de modo a caber no ouvido das pessoas ou ficar atrás da orelha, devem consumir uma quantidade muito pequena de energia e ainda não devem introduzir ruído algum no som amplificado.

Os aparelhos utilizados devem consumir menos de 1 mA, operar com tensões da ordem de 1 V e utilizar uma área de silício inferior a 10 mm2. Assim, o aparelho de ajuda auditiva típico consiste num amplificador com uma função entrada/saída não linear e um ganho que depende da frequência. Esta faixa de resposta deve ser programada de acordo com a deficiência encontrada em cada pessoa que normalmente ocorre em pontos específicos do espectro.

As soluções tradicionais baseadas em circuitos analógicos oferecem muitas dificuldades de projeto as quais podem ser facilmente superadas com a utilização de circuitos digitais. Os dispositivos digitais podem ser facilmente programados e adaptados às diversas condições ambientes. O uso de recursos de microcontroladores e DSPs pode ainda dotar os equipamentos de características de funcionalidade que equipamentos analógicos não têm. Na figura 1 temos um exemplo de circuito digital que faz uso de um microcontrolador MSP430 e num CODEC AIC111.

 

 Solução de aparelho de ajuda auditiva utilizando o MSP430 e COPEC AIC111.
Solução de aparelho de ajuda auditiva utilizando o MSP430 e COPEC AIC111.

 

Os aparelhos de ajuda auditiva têm características específicas, pois as perdas auditivas das pessoas não ocorrem sempre da mesma maneira. As perdas auditivas são normalmente separadas em duas categorias: perda auditiva condutiva e perda auditiva senso-neural (SNHL). Na figura 2 temos uma curva típica de perda pela idade, observando-se que as faixas mais afetadas são justamente as das frequências mais altas.

 

 Curva de perdas auditivas típica pela idade.
Curva de perdas auditivas típica pela idade.

 

Quando a perda auditiva ocorre por condução, basta uma amplificação para que a audição da pessoa seja quase que totalmente recuperada. No entanto, este tipo de perda corresponde apenas a uma parcela muito pequena dos casos, da ordem de 5%. O outro tipo de perda entretanto, exige processamento de sinais mais sofisticado, como no caso da perda por idade, em que temos audiogramas diferentes para cada pessoa.

Dependendo das faixas de frequências afetadas, as pessoas podem sofrer bastante com a inteligibilidade, sendo difícil então entender o que os outros falam. A correção das faixas de frequência afetadas é portanto fundamental para se devolver a capacidade auditiva das pessoas, o que exige técnicas avançadas de processamento do som, o que é possível apenas com soluções digitais.

Podemos então dizer que os aparelhos de ajuda auditiva tradicionais são formados por um amplificador não linear, um microfone, um fone, bateria de zinco-ar e alguns recursos que permitem alterar a banda passante conforme as necessidades de correção do usuário. Essa correção normalmente é dada por circuitos de compressão ou ganho que podem ser ativados ou desativados, conforme a faixa de frequências a ser reforçada.

Por outro lado, os aparelhos digitais modernos permitem a programação pelo audiologista com diversos conjuntos de parâmetros que podem ser ajustados conforme as necessidades de cada paciente. Estes recursos incluem controles automáticos de ganho, proteção contra sons muito altos, melhoria da inteligibilidade, eliminação do ruído de fundo, etc.

Em muitos casos são utilizados ASICs para reunir todos estes recursos. Estes ASICs contém uma série de algoritmos como, por exemplo, diversas bandas de frequências para programação, microfones únicos, dual para audição direcional, e outros recursos importantes.

 

Exemplo de Projeto

A Texas Instruments oferece diversas possibilidades de projeto nesta área, dentre eles os baseados em DSPs. Projetos com DSPs pode ter recursos de software expandidos como modelação da curva de respostas, redução de feedback, redução de ruído, processamento binaural, filtragem, redução de reverberação e fornecimento de sinal diretamente no caso de um telefone digital, TV ou outros equipamentos de áudio. Na figura 3 temos o diagrama de blocos de um dispositivo deste tipo.

 

 Aparelho de ajuda auditiva baseado em DSP - Diagrama de Blocos.
Aparelho de ajuda auditiva baseado em DSP - Diagrama de Blocos.

 

Outra possibilidade interessante que os aparelhos com esta tecnologia oferecem é a possibilidade da comutação do programa conforme situações específicas de uso como, por exemplo, em situações em que a inteligibilidade se torna difícil.

O diagrama de blocos da figura 3 mostra os elementos primários de um aparelho de ajuda auditiva digital. Neste aparelho temos tipicamente três pastilhas semicondutoras empilhadas uma sobre a outra: EEPROM ou memória não volátil, um dispositivo digital e um dispositivo analógico. Alguns avanços recentes das tecnologias de integração possibilitando a colocação de dois ou mesmo três desses dispositivos num único chip. O circuito é normalmente projetado para operar com tensões a partir de 0,9 V devido às variações que podem ocorrer com o tempo na tensão de uma única célula, entre 0,9 e 1,35 V. Recursos de gerenciamento da energia permitem estender ao máximo a vida útil da bateria e ao mesmo tempo avisar o usuário quando ela se encontrar no fim. O conversor A/D normalmente é do tipo sigma=delta com uma faixa de frequências até 20 kHz e uma resolução de 16 bits (14 bits - linear). O dispositivo digital ainda inclui o DSP, interface de programação e etapa de saída. O amplificador de saída normalmente é digital (PWM), com saída em classe D, utilizando a própria impedância do fone para fazer a conversão de digital para analógico.

O consumo de um circuito típico analógico varia entre 0,7 e 1,0 mA enquanto que para os digitais o consumo é menor ficando tipicamente na faixa de 0,5 mA e 0,7 mA. Uma bateria zinco-ar de 30 mAh a 60 mAh e uma corrente de auto-descarga de 50 uA é normalmente utilizada para alimentar este sistema. Com este consumo obtém-se uma excelente autonomia para o aparelho.

 

O CODEC de áudio AIC111

Um componente da Texas Instruments que se destaca nas aplicações deste tipo é o AIC111, compatível com DSP de micropotência ou microcontroladores, proporcionando uma alta performance quando usado em aplicações médicas tais como aparelhos de ajuda auditiva, processamento de áudio, fones de baixa potência, etc. O AIC111 suporta uma interface SPI digital CMOS de 1,3 V e inclui uma fonte externa para alimentação e polarização do microfone. Este componente ainda inclui um monitor de bateria fraca e um indicador. Na figura 4 temos o diagrama de blocos do circuito integrado AIC111, Codec de áudio de microconsumo. Informações completas sobres este componente, incluindo circuitos de aplicação, podem ser obtidas baixando-se diretamente seu datasheet no site da Texas Instruments.

 

 Diagrama de blocos do AIC111.
Diagrama de blocos do AIC111.

 

O AIC111 consiste num codec de áudio compatível com DSPs de micropotência e microcontroladores, também podendo ser utilizado como circuito analógico de interface de áudio. Este componente tem um consumo de apenas 350 uA com alimentação de 1,3 V e uma faixa dinâmica de 87 dB com -73 dB de distorção harmônica total na faixa de 10 Hz a 10 kHz e com uma taxa de amostragem de 40 kHz. O ruído típico de saída é de 12 uVrms com uma distorção harmônica total de 0,05% para o DAC Delta-Sigma e driver de saída em ponte H. O dispositivo é ideal para interfacear microcontroladores da série MSP430xx e DSPs da série TMS320VC54x e TMS320VC55x. Na figura 5 temos um exemplo de aplicação com interfaceamento para DSP da série TMS320VC54xx. O AIC111 é fornecido em diversos tipos de invólucros como QFN de 32 pinos medindo 5 x 5 mm e Bumped Die de 32 pads.

 

 Circuito de aplicação com DSP da série TMS320.
Circuito de aplicação com DSP da série TMS320.

 

 

Conclusão

Com os diversos dispositivos digitais e de interfaceamento hoje disponíveis, é mais simples projetar aparelhos digitais de ajuda auditiva. O que vimos neste artigo foram apenas sugestões baseadas em documentação da Texas Instruments.


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