Capitulo III: Vectores MFCC y Señales del Pulmón.
3.1. MFCC
Una de la areas mas importantes en el proceso de reconocimiento de señales acusticas es el procesado de señales, la cual convierte la forma de onda en una representación parametrica.
Entre las tecnicas mas utilizadas para el procesamiento de señales se se encuentran los Coeficientes Cepstrales en Frecuencia Mel (MFCC por sus siglas en ingles), Codificacion Lineal Predictiva (LPC) y La Predicion Lineal Perceptual (PLP).
Para la obtención de los parámetros es la codificacion MFCC, estos coeficientes son la representación de las concentraciones de energia y los anchos de frecuencia de la señal. Empleando esta tecnica para la obtención de vectores, se logran 26 coeficientes para cada trama de señal acústica en intervalos de 10mS.
Los MFCC proveen un alto grado de reduccion de datos mediante el uso directo de la densidad del poder espectral a partir de que el poder espectral en cada trama puede representarse
3.2. Sistema Respiratorio:
El sistema respiratorio consiste en vías aéreas, pulmones y músculos respiratorios que regulan el movimiento del aire tanto adentro como afuera del cuerpo dando paso al intercambio de gases el cual es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono [Setter, 1996]. La figura 3.X muestra la composición del sistema respiratorio.
Dentro del sistema alveolar de los pulmones, las moléculas de oxigeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre el entorno gaseoso y la sangre. Así, el sistema respiratorio facilita la oxigenación con la expulsión del dióxido de carbono y otros gases que son desechados por el organismo [Rouvière, Delmas, 1996].
El sistema también ayuda a mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente remoción de dióxido de carbono de la sangre.
La función del aparato respiratorio consiste en desplazar volúmenes de aire desde la atmósfera a los pulmones y viceversa. Lo anterior es posible gracias a la ventilación, la cual es un proceso cíclico que consta de dos etapas: la inspiración, que es la entrada de aire a los pulmones, y la espiración, que es la salida [Gray, 1995].
La definición de los órganos del sistema respiratorio es la siguiente:
• Vía Nasal: Consiste en dos amplias cavidades cuya función es permitir la entrada del aire, el cual se humedece, limpia y calienta a una determinada temperatura a través de unas estructuras llamadas pituitarias.
• Faringe: es un conducto muscular, membranoso que ayuda a que el aire se vierta hacia las vías aéreas inferiores.
• Epiglotis: es una membrana que impide que los alimentos entren en la laringe y en la tráquea al tragar. También marca el límite entre la orofaringe y la laringofaringe.
• Laringe: es un conducto cuya función principal es la filtración del aire inspirado. Además, permite el paso de aire hacia la tráquea y los pulmones y se cierra para no permitir el paso de comida durante la deglución si la propia no la ha deseado y tiene la función de órgano fonador, es decir, produce el sonido.
• Tráquea: Brinda una vía abierta al aire inhalado y exhalado desde los pulmones.
• Bronquio: Conduce el aire que va desde la tráquea hasta los bronquiolos.
• Bronquiolo: Conduce el aire que va desde los bronquios pasando por los bronquiolos y terminando en los alvéolos.
• Alvéolo: Permite el intercambio gaseoso, es decir, en su interior la sangre elimina el dióxido de carbono y recoge oxígeno.
• Pulmones: La función de los pulmones es realizar el intercambio gaseoso con la sangre, por ello los alvéolos están en estrecho contacto con capilares.
• Músculos intercostales: La función principal de los músculos respiratorios es la de movilizar un volumen de aire que sirva para, tras un intercambio gaseoso apropiado, aportar oxígeno a los diferentes tejidos.
• Diafragma: Músculo estriado que separa la cavidad toráxica (pulmones, mediastino, etc.) de la cavidad abdominal (intestinos, estómago, hígado, etc.). Interviene en la respiración, descendiendo la presión dentro de la cavidad toráxica y aumentando el volumen durante la inhalación y aumentando la presión y disminuyendo el volumen durante la exhalación.
Las vías nasales se conforman de:
• Células sensitivas.
• Nervio olfativo.
• Pituitaria.
• Cornetes.
• Fosas nasales.
3.3. Señales Pulmonares Normales
EL sonido de una respiración normal que se escucha a través del cuello se origina debido a turbulencias del aire que viaja a través de la vías respiratorias centrales.
Los sonidos pulmonares normales son clasificados como Traqueales, Bronquiales y sonidos Bronco-vesiculares.
Los sonidos traqueales y bronquiales tienen una característica áspera y ruidosa, los sonidos traqueales no se distancian demasiado a los sonidos de una expiración, pero a diferencia de esto, dichos sonidos se generan en la etapa de inspiración ya que existe una notable pausa entre ambas fases respiratorias.
Al momento de realizar una oscultacion en el pecho, debemos prestar atención al sonido que se produce cuando se expira, de esta manera podemos apreciar sonidos de bajo pitch(tono) debiso al movimiento muscular, esot sonidos son difíciles de apreciar de bido a su baja frecuencia.
Los Sonidos respoiratorios se aprecian de manera amortiguada cuando se realiza una oscultacion en el pecho, esto debido a que gran parte de las componentes de alta frecuencia se pierden debido a paso del sonido por los pulmones a diferencia de los sonidos de baja frecuencia que pasan mas fácilmente por estos tejidos, de esta manera podemos mencionar que que los pulmones se comportan como un filtro pasabalas ya que solo podemos apreciar los sonidos producidos por una inpiracion que los producidos al momento de la espiracion.
Los Sonidos traqueales son afectados por resonancias en las vias respiratorias centrales las cuales cambian debido a la densidad de gases.
La infuelcia que tienen las resonancias en los sonidos pulmonares es notoria por su fuerte depoendancia al tamaño corporal de cada persona.
Los sonidos bronco-vesiculares comparten algunas de las carateristicas con los sonidos bronquialies y traqueales.
Las frecuencias de los sonidos bronco-vesiculares son algo altas y se puede distinguir la etape de la inspiración de la etapa de espiracion.
Los sonidos bronco-vesiculares se pueden apreciar en las regiones del pecho mas cercanas a las vias respiratorias, en infantes, estos sonidos son aun mas notorios.
3.4. Señales Pulmonares Anormales
Se clasifican en 2 categorías:
• Wheezes ó Sibilancias, estos poseen características musicales.
• Crackles ó Crepitaciones, no poseen características musicales.
3.4.1. Wheezes
Estos se originan cuando las vias respiratorias producen oscilaciones y agitaciones angostas, es muy comun poder escucharlas en presencia de asma o alguna otra enfermedad que obstruya las vias respiratorias.
Los Wheezes poseen cualidades musicales y tienen uno o varios pitches(tonos) de diferente amplutid, como se observa el la figura 3.4
Los wheezes se han considerado tradicionalment como ronquidos, ya que el ronquido tambien puede producir agitaciones y oscilaciones en las vias respiratorias.
3.4.2. Crepitaciones
Los Crackles son mejor percibidos a traves del pulmón, aunque también se pueden apreciar mejor por la cavidad bucal.
Los orígenes de estos sonidos anormales se originan al momento en que una vía respiratoria se abre o se deforma de una manera abrupta.
Cuando existe la presencia de fibrosis pulmonar, la fuerza retractil del pulmón se incrementa, de esta forma, los Crackles se pueden producir por el movimiento de burbujas en las vías respiratorias.
Aunque los Crackles sean muy breves para denotarlos con caracteristicas musicales estos poseen diferentes caracteristicas sonoras los cuales pueden ser relacionados a una enfermedad respiratoria.
Los Crackles CON UN ALTO Y SECO pitch(Tono) y cercanos al oido son denominados Crackles finos, estos se escuchan con mas frecuencia en personas con neunomia, fibrosis pulmonar o fallas cardiacas.
Los Crackles que posean un pitch (tono) bajo, humedo y distante se denominan como Crackles brutos. Estos son mas comunes en personas con enfermedades obstructivas crónicas, bronquitis o etapas finales de un edema pulmonar.
3.5. Otras Señales Pulmonares
Mas alla de wheezes y Crackles, nos encontramos con otrs sonidos respiratorios anormales, algunos poseen cualidades musicales en tanto otro careceran de estos, en donde los wheezes se originan del torax, estos sonidos respiratorias anormales se producen en las vias extratoraxicas superiores.\
3.5.1. Estridor
Este sonido con cualidad musical es común y se escucha usualmente en personas con problemas en la laringe o traquea cervical, estas regiones tienden a reducirse durante la espiración.
El estridor es el sonido pulmonar que mas comúnmente se escucha, debido a esto no requerimos de un estetoscopio para escucharlo.
Dependiendo de las estructura que oscilan y resuenan el pitch del estridor puede ser alto como se observa en la figura 3.4.2
Wheezes y Stridor pueden ocurrir al mismo tiempo, el estridor puede tener un pitch(tono) bajo como se observa en la figura 3.4.3
3.5.2. Grunting
Otro sonido anormal con cualidades musicales es el grunting, se presenta usualmente en bebes o en personas mayores con problemas respiratorios, este se origina cuando las cuerdas vocales vibran durante la expiración.
3.5.3. Squeaks y Squawks
Squawks son Wheezes de corta duración, estos son menores a una décima de segundo, los mas típicos ocurren al momento final de la espiración.
El mecanismo detrás de esta duración es la súbita apertura de una vía respiratoria previamente cerrada.
Los Squeaks no están definidos claramente y no existe gran diferencia de los Squawks, ya que estos también se aprecian como un breve sonido espiratorio, pero poseen un pitch típicamente alto.
3.5.4. Friction Rub
El termino Friction Rub describe el movimiento el cual produce este sonido, este reproduce a traves de la fricción de las superficies pleurales.
Estos sonidos se pueden apreciar fácilmente cuando existe una inflamación o neoplasma que involucre al espacio pleural.
Los Friction Rubs han sido comparados con el sonido que se produce en un trozo de cuero al ser retorcido
3.1. MFCC
Una de la areas mas importantes en el proceso de reconocimiento de señales acusticas es el procesado de señales, la cual convierte la forma de onda en una representación parametrica.
Entre las tecnicas mas utilizadas para el procesamiento de señales se se encuentran los Coeficientes Cepstrales en Frecuencia Mel (MFCC por sus siglas en ingles), Codificacion Lineal Predictiva (LPC) y La Predicion Lineal Perceptual (PLP).
Para la obtención de los parámetros es la codificacion MFCC, estos coeficientes son la representación de las concentraciones de energia y los anchos de frecuencia de la señal. Empleando esta tecnica para la obtención de vectores, se logran 26 coeficientes para cada trama de señal acústica en intervalos de 10mS.
Los MFCC proveen un alto grado de reduccion de datos mediante el uso directo de la densidad del poder espectral a partir de que el poder espectral en cada trama puede representarse
3.2. Sistema Respiratorio:
El sistema respiratorio consiste en vías aéreas, pulmones y músculos respiratorios que regulan el movimiento del aire tanto adentro como afuera del cuerpo dando paso al intercambio de gases el cual es el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono [Setter, 1996]. La figura 3.X muestra la composición del sistema respiratorio.
Dentro del sistema alveolar de los pulmones, las moléculas de oxigeno y dióxido de carbono se intercambian pasivamente, por difusión, entre el entorno gaseoso y la sangre. Así, el sistema respiratorio facilita la oxigenación con la expulsión del dióxido de carbono y otros gases que son desechados por el organismo [Rouvière, Delmas, 1996].
El sistema también ayuda a mantener el balance entre ácidos y bases en el cuerpo a través de la eficiente remoción de dióxido de carbono de la sangre.
La función del aparato respiratorio consiste en desplazar volúmenes de aire desde la atmósfera a los pulmones y viceversa. Lo anterior es posible gracias a la ventilación, la cual es un proceso cíclico que consta de dos etapas: la inspiración, que es la entrada de aire a los pulmones, y la espiración, que es la salida [Gray, 1995].
La definición de los órganos del sistema respiratorio es la siguiente:
• Vía Nasal: Consiste en dos amplias cavidades cuya función es permitir la entrada del aire, el cual se humedece, limpia y calienta a una determinada temperatura a través de unas estructuras llamadas pituitarias.
• Faringe: es un conducto muscular, membranoso que ayuda a que el aire se vierta hacia las vías aéreas inferiores.
• Epiglotis: es una membrana que impide que los alimentos entren en la laringe y en la tráquea al tragar. También marca el límite entre la orofaringe y la laringofaringe.
• Laringe: es un conducto cuya función principal es la filtración del aire inspirado. Además, permite el paso de aire hacia la tráquea y los pulmones y se cierra para no permitir el paso de comida durante la deglución si la propia no la ha deseado y tiene la función de órgano fonador, es decir, produce el sonido.
• Tráquea: Brinda una vía abierta al aire inhalado y exhalado desde los pulmones.
• Bronquio: Conduce el aire que va desde la tráquea hasta los bronquiolos.
• Bronquiolo: Conduce el aire que va desde los bronquios pasando por los bronquiolos y terminando en los alvéolos.
• Alvéolo: Permite el intercambio gaseoso, es decir, en su interior la sangre elimina el dióxido de carbono y recoge oxígeno.
• Pulmones: La función de los pulmones es realizar el intercambio gaseoso con la sangre, por ello los alvéolos están en estrecho contacto con capilares.
• Músculos intercostales: La función principal de los músculos respiratorios es la de movilizar un volumen de aire que sirva para, tras un intercambio gaseoso apropiado, aportar oxígeno a los diferentes tejidos.
• Diafragma: Músculo estriado que separa la cavidad toráxica (pulmones, mediastino, etc.) de la cavidad abdominal (intestinos, estómago, hígado, etc.). Interviene en la respiración, descendiendo la presión dentro de la cavidad toráxica y aumentando el volumen durante la inhalación y aumentando la presión y disminuyendo el volumen durante la exhalación.
Las vías nasales se conforman de:
• Células sensitivas.
• Nervio olfativo.
• Pituitaria.
• Cornetes.
• Fosas nasales.
3.3. Señales Pulmonares Normales
EL sonido de una respiración normal que se escucha a través del cuello se origina debido a turbulencias del aire que viaja a través de la vías respiratorias centrales.
Los sonidos pulmonares normales son clasificados como Traqueales, Bronquiales y sonidos Bronco-vesiculares.
Los sonidos traqueales y bronquiales tienen una característica áspera y ruidosa, los sonidos traqueales no se distancian demasiado a los sonidos de una expiración, pero a diferencia de esto, dichos sonidos se generan en la etapa de inspiración ya que existe una notable pausa entre ambas fases respiratorias.
Al momento de realizar una oscultacion en el pecho, debemos prestar atención al sonido que se produce cuando se expira, de esta manera podemos apreciar sonidos de bajo pitch(tono) debiso al movimiento muscular, esot sonidos son difíciles de apreciar de bido a su baja frecuencia.
Los Sonidos respoiratorios se aprecian de manera amortiguada cuando se realiza una oscultacion en el pecho, esto debido a que gran parte de las componentes de alta frecuencia se pierden debido a paso del sonido por los pulmones a diferencia de los sonidos de baja frecuencia que pasan mas fácilmente por estos tejidos, de esta manera podemos mencionar que que los pulmones se comportan como un filtro pasabalas ya que solo podemos apreciar los sonidos producidos por una inpiracion que los producidos al momento de la espiracion.
Los Sonidos traqueales son afectados por resonancias en las vias respiratorias centrales las cuales cambian debido a la densidad de gases.
La infuelcia que tienen las resonancias en los sonidos pulmonares es notoria por su fuerte depoendancia al tamaño corporal de cada persona.
Los sonidos bronco-vesiculares comparten algunas de las carateristicas con los sonidos bronquialies y traqueales.
Las frecuencias de los sonidos bronco-vesiculares son algo altas y se puede distinguir la etape de la inspiración de la etapa de espiracion.
Los sonidos bronco-vesiculares se pueden apreciar en las regiones del pecho mas cercanas a las vias respiratorias, en infantes, estos sonidos son aun mas notorios.
3.4. Señales Pulmonares Anormales
Se clasifican en 2 categorías:
• Wheezes ó Sibilancias, estos poseen características musicales.
• Crackles ó Crepitaciones, no poseen características musicales.
3.4.1. Wheezes
Estos se originan cuando las vias respiratorias producen oscilaciones y agitaciones angostas, es muy comun poder escucharlas en presencia de asma o alguna otra enfermedad que obstruya las vias respiratorias.
Los Wheezes poseen cualidades musicales y tienen uno o varios pitches(tonos) de diferente amplutid, como se observa el la figura 3.4
Los wheezes se han considerado tradicionalment como ronquidos, ya que el ronquido tambien puede producir agitaciones y oscilaciones en las vias respiratorias.
3.4.2. Crepitaciones
Los Crackles son mejor percibidos a traves del pulmón, aunque también se pueden apreciar mejor por la cavidad bucal.
Los orígenes de estos sonidos anormales se originan al momento en que una vía respiratoria se abre o se deforma de una manera abrupta.
Cuando existe la presencia de fibrosis pulmonar, la fuerza retractil del pulmón se incrementa, de esta forma, los Crackles se pueden producir por el movimiento de burbujas en las vías respiratorias.
Aunque los Crackles sean muy breves para denotarlos con caracteristicas musicales estos poseen diferentes caracteristicas sonoras los cuales pueden ser relacionados a una enfermedad respiratoria.
Los Crackles CON UN ALTO Y SECO pitch(Tono) y cercanos al oido son denominados Crackles finos, estos se escuchan con mas frecuencia en personas con neunomia, fibrosis pulmonar o fallas cardiacas.
Los Crackles que posean un pitch (tono) bajo, humedo y distante se denominan como Crackles brutos. Estos son mas comunes en personas con enfermedades obstructivas crónicas, bronquitis o etapas finales de un edema pulmonar.
3.5. Otras Señales Pulmonares
Mas alla de wheezes y Crackles, nos encontramos con otrs sonidos respiratorios anormales, algunos poseen cualidades musicales en tanto otro careceran de estos, en donde los wheezes se originan del torax, estos sonidos respiratorias anormales se producen en las vias extratoraxicas superiores.\
3.5.1. Estridor
Este sonido con cualidad musical es común y se escucha usualmente en personas con problemas en la laringe o traquea cervical, estas regiones tienden a reducirse durante la espiración.
El estridor es el sonido pulmonar que mas comúnmente se escucha, debido a esto no requerimos de un estetoscopio para escucharlo.
Dependiendo de las estructura que oscilan y resuenan el pitch del estridor puede ser alto como se observa en la figura 3.4.2
Wheezes y Stridor pueden ocurrir al mismo tiempo, el estridor puede tener un pitch(tono) bajo como se observa en la figura 3.4.3
3.5.2. Grunting
Otro sonido anormal con cualidades musicales es el grunting, se presenta usualmente en bebes o en personas mayores con problemas respiratorios, este se origina cuando las cuerdas vocales vibran durante la expiración.
3.5.3. Squeaks y Squawks
Squawks son Wheezes de corta duración, estos son menores a una décima de segundo, los mas típicos ocurren al momento final de la espiración.
El mecanismo detrás de esta duración es la súbita apertura de una vía respiratoria previamente cerrada.
Los Squeaks no están definidos claramente y no existe gran diferencia de los Squawks, ya que estos también se aprecian como un breve sonido espiratorio, pero poseen un pitch típicamente alto.
3.5.4. Friction Rub
El termino Friction Rub describe el movimiento el cual produce este sonido, este reproduce a traves de la fricción de las superficies pleurales.
Estos sonidos se pueden apreciar fácilmente cuando existe una inflamación o neoplasma que involucre al espacio pleural.
Los Friction Rubs han sido comparados con el sonido que se produce en un trozo de cuero al ser retorcido
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