DISEÑO DE UN MÓDULO ELECTRÓNICO EMISOR DE MENSAJES DE VOZ PARA DESFIBRILADORES

Forneiro, Yadel Alfonso, Liu Margarita

Manuscrito finalizado en La Habana, Cuba, el 2007/07/01, recibido el 2007/08/04, en su forma final (aceptado) el 2008/03/26.

El MSc. Yadel Forneiro Martín- Viaña es Investigador Agregado en el Instituto Central de Investigación Digital, calle 202 # 1704 entre 17 y 14 , Siboney, La Habana, Cuba, Telef. 537-2717632, Ext. 1248 a 1250, fax 537-2736378, correo electrónico yforneiro@icid.cu.

La Ing. Liu Margarita Alfonso Zayas es Especialista General de la Electrónica en el mismo Instituto, mismo teléfono y fax, correo electrónico lmalfonso@icid.cu.

 

Nota: Este trabajo ha sido presentado en Habana 2007 VII Congreso de la Sociedad Cubana de Bioingeniería y hemos sido autorizados por el Presidente delComité Científico del citado Congreso a publicarlo en nuestra Revista Universidad, Ciencia y Tecnología.

Resumen:

La incorporación de mensajes de voz en equipos electrónicos ha tomado auge en la actualidad debido al surgimiento y desarrollo de un soporte de estado sólido para esta aplicación. Los desfibriladores constituyen el equipamiento médico pionero en el empleo de los mensajes de voz, siendo hoy día un requisito indispensable en sus modalidades semiautomáticas y automáticas. Este trabajo propone un Módulo de Mensajes de Voz para ser incorporado en la línea de desfibriladores del Instituto Central de Investigación Digital, siguiendo la tendencia de fabricantes de prestigio en este tipo de equipo médico. Se presenta la estructura en bloques del Módulo de Mensajes de Voz, así como el algoritmo para el control de la reproducción de los mensajes desde un microcontrolador. La calidad del programa de audio obtenido, teniendo en cuenta su inteligibilidad e intensidad sonora, resulta satisfactoria para la aplicación. El conjunto de 15 mensajes de experimentación ocupa aproximadamente el 23 % de la capacidad de almacenamiento, dejando margen a la implementación de otras prestaciones.

Palabras clave: Señalizador Acústico/ Mensajes de voz/ Reproductor de audio/ ChipCorder/ Desfibriladores.

ELECTRONIC DESIGN OF A VOICE – MESSAGE EMITTING MODULE FOR DEFIBRILLATORS

Summary:

Voice prompts are a common feature in modern electronics since audio record & playback solidstate devices appear on the market. Defibrillators established a turning point in the use of voice prompts making this feature indispensable at present in both semi-automatic and automatic models. This paper propose a Voice – Message Emitting Module to be added to the defibrillator products of the Central Institute for Digital Research, taking into account what other important manufacturers of this branch of medical devices have done. The block diagram representing the electrical design, as well as the algorithm to control message playing from an external microcontroller, are presented. According to its intelligibility and sound intensity, tests performed on prototyping hardware show an audio program quality suitable for the related application. The group of voice messages for testing purposes totalizes fifteen and requires up to 23 % of memory capacity. Hints for multi – language support and for volume control are also included.

Keywords: Voice Messaging Applications/ Voice Prompts/ Voice Messages/ Audio Player/ ChipCorder/ Defribillators.

I. INTRODUCCIÓN

Los equipos electrónicos capaces de emitir mensajes hablados o de voz, hacen más interactiva su operación y evitan la ocurrencia de errores por parte del operador, garantizando así un funcionamiento seguro. También reducen el tiempo del entrenamiento para la asimilación de un dispositivo o técnica determinada. Estudios realizados demuestran que el empleo de esta prestación en equipamiento médico trae consigo resultados muy favorables cuando se trata de aplicaciones de cuidados vitales [1]. Los desfibriladores constituyen el equipamiento pionero en el empleo de los mensajes de voz, siendo hoy día un requisito casi indispensable en las modalidades semiautomáticas y automáticas de esta rama de equipamiento médico. El surgimiento y la accesibilidad actual a los dispositivos de estado sólido de grabación y reproducción de audio, así como a las herramientas de desarrollo necesarias, conllevaron al diseño de un módulo electrónico de generación de mensajes de voz para ser empleado en la línea de desfibriladores del Instituto Central de Investigación Digital (ICID). El Módulo de Mensajes de Voz (MMV) para desfibriladores está basado en el dispositivo de audio ISD_4003-04. Es un dispositivo híbrido, en cuya estructura resaltan los bloques de control digital, con interfaz de comunicación SPI (Serial Peripheral Interface), y de procesamiento de la señal analógica de audio [2]. Con una capacidad de almacenamiento de 4 minutos, es el que proporciona el programa de audio de mayor calidad considerando la serie a la que pertenece. Sus características técnicas representativas, junto a las de otros dispositivos del mismo fabricante, se resumen en la Tabla I.

 

Durante la grabación en el dispositivo de audio el procesamiento analógico incluye: la amplificación de la señal, su filtrado de limitación de banda, el muestreo y finalmente el almacenamiento de las muestras en el arreglo de memoria interno de 1200 filas y 1600 columnas (1920 k_celdas), que es no volátil y de grabación múltiple. El fabricante refiere que las muestras son almacenadas directamente, sin que medien las etapas de cuantificación y codificación numérica empleadas en los procesos de digitalización tradicionales [2]. Durante la reproducción desde el dispositivo, las muestras son extraídas en modo secuencial, filtradas posteriormente para eliminar las componentes de frecuencias introducidas durante el muestreo y la señal resultante es finalmente enviada al amplificador de salida. Los diez comandos para el control del dispositivo de audio quedan definidos por la estructura de los 5 bit de control y los 11 bit de dirección que se envíen a su terminal MOSI (Master Output Slave Input) del estándar SPI, en una trama de 16 bit en su variante más general. En particular, el comando denominado SETPLAY inicia la reproducción a partir de la primera celda de una fila específica del arreglo de memoria, definida por el valor de la palabra de dirección. El acceso a la memoria sólo es posible a nivel de filas [2] [3]. Existen dos eventos que activan una señal externa de solicitud de interrupción: EOM (End of Message), que se produce terminada la reproducción de cualquiera de los mensajes grabados, y OVF (Overflow Flag), que se produce cuando se alcanza el fin de la memoria durante procesos de grabación o reproducción. La discriminación de estos eventos puede hacerse a partir de la trama de datos que envía el dispositivo de audio por su terminal MISO (Master Input Slave Output) [2] [3]. El MMV obtenido ofrece además las siguientes posibilidades:  Programación in-circuit  Generación de mensajes en varios idiomas  Control de volumen  Modo de operación de bajo consumo

II. DESARROLLO

1. Materiales y métodos

1.1. Conjunto de mensajes de voz

El conjunto de mensajes de voz de experimentación fue confeccionado específicamente para un desfibrilador - monitor semiautomático, por lo que se recomienda la utilización de una voz firme, impositiva y que transmita seguridad. Los quince mensajes propuestos se relacionan en la Tabla II.

 

1.2. Estructura Eléctrica del MMV

Los componentes del MMV aparecen representados en la Figura 1. A continuación se describe la función de cada uno de sus elementos. Su control se realiza a través de un microcontrolador externo, no representado, que no forma parte del MMV.

1.2.1. Dispositivo de Audio: Almacena el conjunto de mensajes de voz seleccionado para la aplicación, permitiendo su emisión selectiva. El control digital de este dispositivo se realiza a través del estándar SPI desde un microcontrolador externo [3]. Constituye la fuente de señal de audio que excita al Amplificador de Potencia.

1.2.2. Conversor Lógico: El dispositivo ISD 4003-04 se alimenta con 3 VCD, por lo que es preciso realizar la conversión de niveles lógicos de las señales digitales cuando el MMV es controlado desde un microcontrolador alimentado con valores de tensión mayores. Sólo es necesario hacer esta conversión en la señal MISO [4]. Las señales INT (Interrupt) y RAC (Row Address Clock) pueden ser interconectadas directamente utilizando resistores de pull–up [4].

1.2.3. Amplificador de Potencia: Presenta una configuración tipo puente (bridged mode), que tiene entre sus ventajas entregar al altavoz una potencia cuatro veces mayor que la entregada por la configuración clásica de salida simple (single ended) [5]. La señal Shutdown permite colocar al dispositivo en un modo de bajo consumo, algo conveniente cuando se emplea en equipos alimentados con baterías.

1.2.4. Interfaz de Programación y Control: El diseño de un MMV propio supone también el desarrollo de un modo de programación in-circuit de sus dispositivos de audio. Esta interfaz permite la conexión de un programador a tal efecto, permitiendo la programación y la comprobación de los MMV, ya sea en la propia línea de producción o durante la corrección o actualización de equipos terminados [6]. El control del MMV, durante su funcionamiento ordinario en la aplicación final, se realiza a partir del grupo de señales digitales presentes en la Interfaz. La cantidad de señales necesaria variará en dependencia de las operaciones que se pretendan implementar en el MMV.

1.2.5. Atenuador: Garantiza el nivel adecuado de la señal de audio durante el proceso de programación in-circuit del Dispositivo de Audio. La señal de entrada de audio se inyecta en formato diferencial a través de la Interfaz de Programación y Control [6].

1.2.6. Fuente de Alimentación: Genera la tensión de alimentación de 3 VDC cuando en la aplicación donde se encuentre embebido el MMV no se encuentre disponible. La señal Inhibit permite pasar a un modo de bajo consumo, en el que se anula su salida.

1.3. Algoritmo de control externo

La emisión de un mensaje de voz puede lograrse por la reproducción de un único mensaje o por la concatenación de varios mensajes simples [7]. El empleo de la concatenación permite la reutilización de un mensaje simple en múltiples mensajes de voz, permitiendo un mejor aprovechamiento de la memoria del dispositivo de audio aunque necesita un algoritmo de control más elaborado. El grupo de mensajes de voz seleccionado no se caracteriza por presentar un número importante de frases o palabras comunes; se reproducirá cada uno independientemente, simplificando así el algoritmo de control. En casos como éste, cada mensaje de voz es grabado en el dispositivo de audio como un mensaje simple.

La variable OFFSET se utiliza como puntero a la Tabla de Direcciones, que contiene la dirección del inicio de cada uno de los mensajes de voz alojados en la memoria del dispositivo de audio [6]. La preparación de la trama de control precisa la búsqueda de los 11 bit de dirección y la inserción del código de control correspondiente al comando SETPLAY. El envío de la trama de control al MMV se realiza en dos ciclos SPI consecutivos. La activación de la bandera BUSY señaliza un proceso de reproducción en curso en el MMV y es útil para evitar la interrupción de la generación de un mensaje de voz. La detección del término del mensaje de voz se infiere por la detección de la solicitud de interrupción enviada por el MMV luego de iniciado el proceso de reproducción correspondiente.

1.4. Especificación de la Interfaz

Durante la implementación de un modo de programación incircuit de los MMV es preciso realizar la definición física y lógica de su Interfaz de Programación, para que exista compatibilidad con el dispositivo de programación [6]. En la Figura 3 se muestran las señales que aparecen en dicha Interfaz, indicándose algunas de sus características eléctricas.

 

 

2. Resultados

El acceso aleatorio a cada uno de los mensajes de voz disponibles fue verificado en la práctica, así como también la no ocurrencia de interrupciones durante su reproducción. Dado que esto último se logra por medio de un artificio en el algoritmo de control, puede implementarse en la aplicación final el modo de reproducir mensajes de voz prioritarios a pesar de que exista otro en curso. El grupo de mensajes seleccionado para la experimentación ocupa el 23 % de la capacidad de memoria del dispositivo, lo que permite implementar mecanismos para la emisión de estos en diferentes idiomas y para el control de volumen. La Figura 4 muestra la organización de la información en la memoria del dispositivo de audio para la emisión en tres idiomas. La dirección relativa de los mensajes se obtiene a partir de la Tabla de Direcciones, mientras que el idioma queda definido por el Desplazamiento seleccionado. La estructura propuesta genera el algoritmo de gestión más simple a expensas de no utilizar la totalidad de las celdas de almacenamiento de audio. V

El ajuste de volumen resulta conveniente en muchas aplicaciones y actualmente se logra mediante el empleo de potenciómetros con control digital o de conversores digital – analógico. La estructura propuesta en la Figura 4 permite generar las señales sonoras complementarias con tres niveles de intensidad diferentes sin añadir hardware adicional. Según esta propuesta, los mensajes hablados se generan siempre con el mismo nivel, no obstante, pudiera implementarse el control de volumen para algunos mensajes si se tratan como mensajes adicionales.

3. Discusión de los resultados

Durante la confección del conjunto de mensajes de voz definitivo se insistirá en la obtención de un grupo de mensajes breves y claros, sin que existan dudas en cuanto a la acción que debe realizar el operador al escucharlos. La preparación del material de audio precisa las herramientas de desarrollo específicas para la realización de las siguientes etapas: captura, edición, organización de ficheros y programación [7]. La Tabla de Direcciones y el dispositivo de audio master se obtienen como resultado de esta secuencia de operaciones, y son utilizados durante la programación in-circuit de los MMV [6]. El artificio para lograr la generación en varios idiomas y con control de volumen puede imponer un aumento de la capacidad de almacenamiento necesaria en dependencia de la duración del programa de audio resultante. Esto puede resolverse seleccionando otro dispositivo de la serie ISD 4003, a expensas del deterioro de la calidad del programa de audio, o migrando hacia la serie de dispositivos ISD 4004, que implica hacer modificaciones en el algoritmo de control digital externo. La Interfaz de Control puede simplificarse a las líneas siguientes: SS (Slave Select), SCLK (Serial Clock), MOSI e INT [8], con el objetivo de simplificar los requisitos de conectividad del MMV con el hardware que lo soporta. Con el mismo propósito podrán manejarse juntas las señales Shutdown e Inhibit, o mantenerlas siempre activas.

III. CONCLUSIONES

1. Fueron obtenidos el hardware y el firmware necesarios para la incorporación de un MMV, basado en el dispositivo ISD 4003-04, en la línea de desfibriladores del ICID.

2. El resultado es extensible a cualquier tipo de equipamiento que justifique la generación de mensajes de voz durante su funcionamiento.

3. El conjunto de ensayos prácticos realizados permitió comprobar la efectividad de la solución electrónica y de la implementación por firmware del algoritmo de control propuesto para la generación de los mensajes de voz.

4. La calidad del programa de audio obtenido resultó satisfactoria para el tipo de aplicación al cual está destinado, teniendo en cuenta su inteligibilidad e intensidad sonora.

5. La solución propuesta permite disponer de un tiempo de programa total capaz de acomodar mensajes en al menos tres idiomas y otras señales de indicación complementarias.

6. La solución permite además la implementación de un mecanismo de ajuste de volumen por pasos.

7. El MMV es una solución de tamaño y costo reducidos si se compara con otras técnicas disponibles para lograr el mismo objetivo.

8. Por lo general, el MMU se incorpora a equipos que disponen de una lógica de control digital implementada, por lo que representa un mínimo de componentes electrónicos adicionales.

IV. REFERENCIAS

1. Handley Anthony J, Handley Simon A J. “Improving CPR performance using an audible feedback system suitable for incorporation into an automated external defibrillator”, Resuscitation, 2003, No. 57, p. 57-62.         [ Links ]

2. Winbond Electronics Corp. “ISD4003 Series, Single-Chip Multiple-Messages Voice Record and Playback Devices 4-, 5-, 6-, and 8-Minute Durations”, Datasheet, January 2004, p. 4, 9, 12 - 19.         [ Links ]

3. ISD/Winbond. “The ISD4000 SPI Control Port Operations, a Simplified Guide”, Applications Note 5A, 2000, p. 1-5.         [ Links ]

4. ISD/Winbond. “Using the ISD4000 Series With 5-Volt Powered Processors”, Application Brief 25A, 2000, p. 45-47.         [ Links ]

5. National Semiconductor. “LM4871 Boomer Series, 1.1 W Audio Power Amplifier with Shutdown Mode”, Datasheet, 1997, p. 5, 6.         [ Links ]

6. Piñeiro L. “Diseño de un programador para módulos de comandos de voz”, Trabajo de Diploma, ISPJAE, La Habana, 2006, p. 6, 7, 10, 13 - 17, 22 - 25.         [ Links ]

7. Quadravox Inc. “QV400D Sound Development and Programming Tool”, User’s Guide v1.10, 1999, p. 9, 17, 46-56.         [ Links ]

8. ISD/Winbond. “Example Circuit: Minimum I/O Application for ISD33000 Products”, Applications Information, 2000, p. 1. Volumen 12, Nº 48, septiembre 2008. pp 137-142        [ Links ]