El uso de la instrumentación virtual para el análisis de

EL USO DE LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL PARA EL ANÁLISIS DE FONOCARDIOGRAFÍA EN
BALLENAS
Susan Davies, Bióloga
Carolina Pardo, Bióloga
Dr. Jorge Reynolds P., Ingeniero Electrónico
RESUMEN
Este trabajo de investigación se realizó con base en el material existente de grabaciones
obtenidas con el sonar pasivo de los submarinos de la Armada Nacional de Colombia durante los
Cruceros Submarinos de Investigación Acústica en Corazón de Ballenas I (1994), II (1995), III
(1996) y IV (1997). En las grabaciones obtenidas, se determinó una posible componente acústica
del corazón de la ballena jorobada por medio de instrumentos electrónicos diseñados con el
programa de instrumentación virtual LabVIEW, teniendo en cuenta los rangos de frecuencia,
tiempo y amplitud. Se encontró una señal que probablemente sea una componente del corazón de
la ballena jorobada ya que presenta un rango constante de frecuencia determinado en 175 Hz, es
una señal constante y periódica, presenta una repetición en el tiempo entre 5-7 seg. y su rango de
amplitud se encuentra entre 0,0004 mV y 0,0001 mV. Esta señal presenta una similitud en las
diferentes muestras estudiadas. Esta señal fue posible determinarla gracias a la instrumentación
virtual utilizado como método de análisis para las señales acústicas.
ABSTRACT
This investigation project was fulfilled on base of the existent recording material obtained with the
Colombian Navy submarines sonar system during the I (1994), II (1995), III (1996) and IV (1997)
Submarine Cruise of Acoustic Investigations on Whale Heart. In the recordings it was determined
a possible acoustic component of the Humpback Whale heart using electronic instruments design
with the virtual instrumentation program LabVIEW, having in account the frequency, time and
intensity scale of the heart sounds. It was determined a possible heart signal that may be one of
the components of the heart beat of the whale, it presents a constant frequency scale of 175 Hz, it
is a periodic and constant signal, it presents time repetitions between 5-7 seconds and de
intensity scale is between 0,0004 mV and 0,0001 mV. This signal have a similarity in the different
samples studied. The determine of this signal was possible using the virtual instrumentation like
a analysis method for acoustics signals.
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INTRODUCCIÓN
El estudio de los sonidos del corazón de la ballena presenta gran interés para investigadores en el campo
de la fisiología y la medicina. Sin embargo los estudios del funcionamiento, tamaño, escala y sus
características de magnitud son raramente considerados. Son poco los datos que se conocen y que se
tienen acerca del corazón del mamífero más grande que existe y que ha existido sobre la tierra.
Las ballenas como mamíferos que son, mantienen la misma fisiología y anatomía de corazón que
cualquier otro mamífero, sin embargo presentan algunos cambios o adaptaciones que les permite
soportar la presión y sumergirse a grandes profundidades por largos períodos de tiempo sin que sus
tejidos se vean afectados (Harrison, 1988). Es importante hacer estudios en fisiología cardíaca en
ballenas porque es una aproximación para llegar a entender los cambios fisiológicos que tienen estos
animales. Por lo tanto, este trabajo de fisiología cardíaca en ballenas, tiene por objeto conocer el corazón
de una ballena que ha tenido una evolución diferente a cualquier otro mamífero.
Es así, como el grupo S.C.V.S. (Seguimiento Corazón Vía Satélite) ha venido trabajando durante varios
años en fisiología cardíaca. Estas investigaciones son únicas en el mundo por lo tanto es necesario la
elaboración y diseño de instrumentos que se utilizan para dicho estudio. Se ha podido investigar el
corazón de las ballenas con la implementación de la acústica submarina gracias al sonar pasivo de los
submarinos de la Armada Nacional de Colombia (Reynolds, 1993-1995).
La acústica es una herramienta tecnológica moderna para la investigación de forma no invasiva y a
distancia en animales. Sirve para mejorar los estudios biológicos que no requieran someterlos a estrés,
tomándose así, datos más confiables del animal en su medio. Por medio de este método ha sido posible
identificar los sonidos cardíacos de la ballena en las grabaciones de cantos usando filtros electrónicos e
instrumentación virtual. En este trabajo se utilizó la acústica para obtener las señales fonocardiográficas
de la ballena jorobada, las cuales no han sido establecidas ni caracterizadas en términos de frecuencia,
tiempo y amplitud.
Los primeros estudios realizados en Colombia sobre corazón de ballena jorobada fueron dirigidos por el
Dr. Jorge Reynolds P., Ingeniero Electrónico. Estos estudios fueron realizados en electrocardiografía los
cuales permitieron establecer el ritmo del corazón de las ballenas cuando se encuentran en la superficie
y cuando hacen inmersión. Se determinó que la frecuencia cardíaca en la superficie era de 8 a 12
contracciones por minuto y va disminuyendo a medida que el animal entra en inmersión presentando una
frecuencia cardíaca de 3 a 4 contracciones por minuto (Reynolds, 1986).
Actualmente no se ha establecido con seguridad las variaciones que presenta el ciclo cardíaco del
corazón de una ballena durante la inmersión, así como las características de magnitud y tiempo. La
utilización de la fonocardiografía como metodología de estudio permite establecer estas características de
los diferentes sonidos originados por el corazón, y así por medio de la instrumentación virtual visualizar
los eventos acústicos en el tiempo para su posterior estudio.
METODOLOGÍA
Área de Estudio
La investigación se llevó a cabo en la zona cercana a la Base Naval ARC Málaga en el Pacífico
Colombiano, durante el IV Crucero Submarino de Investigaciones Acústicas en Corazón de Ballena
realizado durante los días del 10 al 17 de Septiembre de 1997. La Base Naval ARC “Málaga”, está
situada en la bahía del mismo nombre a 27 millas al noroccidente de la ciudad de Buenaventura. Esta
zona presenta características climáticas de selva tropical, alta pluviosidad que oscila entre 7000 a 8000
mm anuales, humedad relativa que fluctúa entre 80 y 100%; el régimen de marea con cambios cada seis
horas entre 3.5 a 4.5 metros, suelos con estratos de origen arcilloso cuyo perfil lo constituyen Lateritas y
Lodolitas, alta sismicidad con posibilidad de tsunamis, la bahía es de gran profundidad, extensa y
abrigada, la sedimentación es casi nula por no existir desembocaduras de ríos en ésta (Boletín
Informativo, 1997).
Equipos
Para la realización de las grabaciones se utilizaron los siguientes equipos:
SONAR PASIVO KRUPP ATLAS ELECTRONIK PSU 83-55 OC LOCRO 01; CONSOLA DE AUDIO
TASCAM TEAC CORPORATION MINIESTUDIO PORTA ONE MULTITRACK; DIGITAL AUDIO TAPERECORDER (GRABADORA DAT) TDC-D3 SONY; PORTABLE MINIDISC MZ-R2 SONY; FILTRO
PASABAJOS DE SEXTO ORDEN BUTTERWORTH DE CONDENSADOR CONMUTADO;
COMPUTADOR MULTIMEDIA CLON CMQ PENTIUM 486 66 MHZ 8M RAM DISCO DURO DE 800
MEGAS; CASSETTES ANÁLOGOS DE CROMO DE 90 MINUTOS; CASSETTES DIGITALES (DAT: DT90 MINUTOS SONY); CASSETTES DIGITALES (MINIDISC: MDW-74 MINUTOS SONY); CASSETTE
CRC DE 60 MINUTOS TEAC-HIGH DENSITY; MICROCASSETTE-SONY-MC- 60 (MICROCASSETTE
RECORDER RN-402/RN-502- PANASONIC); PROGRAMA LABVIEW DE NATIONAL INSTRUMENTS;
DEC (TECHNICS– RS- M63); MICRÓFONO DE CONDENSADOR DE ALTA SENSIBILIDAD (SONYECM-16) (Bernal, 1996; Hurtado, 1996).
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Y PROGRAMA LABVIEW
La definición más utilizada sobre la instrumentación virtual dice que es un programa (software) y una
tarjeta electrónica (hardware) instalados en un computador personal para que el usuario pueda utilizarlo
como si fuera un instrumento electrónico tradicional. Los sistemas de instrumentación virtual como
LabVIEW inevitablemente invitan a la comparación con la instrumentación física real. Los programas
que utiliza la instrumentación virtual optimizan el tiempo de la mejor forma posible y permiten una gran
flexibilidad para crear instrumentos de gran complejidad. El programa LabVIEW es un sistema que hace
la instrumentación y el procesamiento de señales más fácil y flexible para el científico y el ingeniero que
trabajan en áreas de investigación en laboratorios, control industrial y análisis de datos (Johnson, 1994).
Se puede decir que el concepto de LabVIEW es funcional y práctico para crear instrumentos virtuales.
Trabaja en todos los aspectos de un sistema de instrumentación incluyendo adquisición, análisis y
presentación de datos, además para el control de procesos. La ventaja de la utilización de la
instrumentación virtual es que las tres funciones pueden realizarse con solo un implemento como es el
computador. El instrumento virtual es mucho más versátil y presta una mayor funcionalidad que el
instrumento normal, permitiendo hacer cambios que se consideren necesarios sobre el instrumento ya
programado a lo largo de la investigación. El análisis de los datos puede realizarse de manera interactiva
lo que facilita y mejora el análisis, porque permite la aplicación inmediata de ideas que surgen durante la
investigación (National Instruments, 1994).
Obtención de las grabaciones. Para obtener las grabaciones se utiliza el Submarino ARC TAYRONA
como plataforma submarina de investigación y el Oceanográfico ARC PROVIDENCIA como buque de
apoyo en superficie. Se utiliza el sonar pasivo el cual es uno de los instrumentos de navegación más
importante que tiene un submarino, este sirve para localizar obstáculos, objetos o blancos como buques
cercanos, submarinos y animales marinos. Este tipo de submarinos oceánicos no posee ventanas como
en los submarinos turísticos para observar hacia fuera porque debilitarían el casco del submarino. El
sonar funciona como los oídos y los ojos del submarino. Este tipo de instrumento ofrece una mayor
sensibilidad en la obtención de los diferentes sonidos producidos por estos animales, por ejemplo, los
cantos de la ballena jorobada y los sonidos producidos por el corazón al contraerse. La utilización de los
submarinos permite hacer un seguimiento de la ballena por un período de tiempo prolongado en su
hábitat sin causarle ningún estrés al animal.
Se realizan las grabaciones de los cantos de la ballena jorobada por medio del sonar pasivo conectado a
una consola de audio de sistema de reproducción análogo y a su vez conectada a sistemas de
reproducción digitales DAT y Minidisc. La consola de audio recibe la señal de entrada y pasa por un filtro
pasabajos (electrónico) que la envía a la tarjeta de adquisición de datos en el computador donde está
instalado el programa de instrumentación virtual LabVIEW.
Para realizar las grabaciones de los cantos de las ballenas se espera a tener una señal fuerte y nítida
(por encima de 40 db), luego se orienta el eje del sonar hacia la ballena que emite la señal, iniciando el
seguimiento y las grabaciones. Se continúa con las grabaciones de los cantos de ballenas y se realizan
maniobras de seguimiento de ballenas por varias horas. Finalmente, se obtiene un total de 9 horas de
grabación en cassette análogo, 9 horas en sistema DAT y 4 horas en sistema digital Minidisc.
Procedimiento de análisis de las grabaciones. En el laboratorio de Bogotá, se procede al análisis de
las grabaciones por medio del programa LabVIEW. Inicialmente se realizan copias de las grabaciones
análogas en un DEC (TECHNICS-RS-M63) y en la consola de audio. Además, se graba un cassette con
los cantos de la ballena jorobada con el cual se elaboran espectrogramas característicos en los rangos de
frecuencia, tiempo y amplitud.
Para obtener los espectrogramas correspondientes al corazón de la ballena se realizan algunas pruebas
preliminares con el LabVIEW y el computador con el fin de determinar los límites entre los cuales éstos
permiten trabajar. Se tienen en cuenta ciertos parámetros, como la saturación de la señal, número de
muestras que procesa el programa por segundo (tasa de muestreo), límites de resolución en tiempo,
frecuencia, amplitud, gamas de color y escala en blanco y negro. Una vez conocidos estos límites se
ajustan los parámetros de las gráficas a unos valores teóricos esperados para el corazón de la ballena
(según el método).
Se utiliza la grabación del primer fonocardiograma tomado por medio del método del dardo TUS a una
ballena jorobada en la Isla Gorgona en la expedición de 1985. Se usa como base para el análisis de
señales fonocardiográficas. Esta grabación se adquiere en forma de archivo binario y se elabora el
espectrograma correspondiente. Se observa la forma de la señal y sus características en tiempo,
frecuencia y amplitud.
Además, se realiza una prueba fonocardiográfica registrada a una persona adulta para observar el
espectrograma en el LabVIEW. Para registrar el fonocardiograma se coloca en el tórax de la persona una
campana de fonendoscopio, a ésta se le conecta un trozo de manguera plástica en uno de sus extremos
y en el otro extremo un micrófono de condensador de alta sensibilidad (SONY-ECM-16), el cual se
conecta a la consola de audio que a su vez va conectada a la tarjeta de adquisición de datos del
computador. Esto para proporcionar una visualización de la forma espectrográfica de una señal
fonocardiográfica como referencia.
Se escogen algunas de las grabaciones realizadas en el submarino, para analizarlas modificando los
parámetros de tiempo, frecuencia y amplitud. Se digitalizan en forma de archivos (de tipo binario) en el
computador, lo que permite imprimir en papel los espectrogramas para el análisis. Es necesario utilizar un
papel de alta calidad de impresión (papel calcio) ya que da una mayor resolución en color a las gráficas.
RESULTADOS
En los espectrogramas realizados para los cantos de las ballenas, se encontró un rango muy amplio en
frecuencias, presenta sonidos muy agudos a muy graves, pasando de 50 Hz (los sonidos de los cantos
más bajos) a 1500 Hz (los sonidos de los cantos más altos). Las intensidades correspondientes
presentan igualmente una amplia gama de amplitudes. En el espectrograma se observa sonidos muy
característicos de los cantos, éstos son corroborados en el programa de tiempo real (Figura 1).
FIGURA 1. ESPECTROGRAMA DE LOS CANTOS DE LA BALLENA JOROBADA.
Al realizar las pruebas del computador y el LabVIEW, se determinan los límites a los cuales se analizan
mejor las señales acústicas en los espectrogramas. Se observa que en los espectrogramas la capacidad
máxima en tiempo para procesar es de 40 seg. (eje X). La tasa de muestreo que utiliza el programa por
segundo es de 3,000 y el total de muestras es de 120,000 tomados a partir de la señal original en los
archivos de 40 seg. Para el rango en frecuencias (eje Y) de cada ventana se determinó el mínimo en 50
Hz y el máximo en 400 Hz.
Para la determinación del rango de amplitudes se escoge inicialmente la escala de color a utilizar, se
realiza una prueba con la escala en blanco y negro pasando por 5 tonalidades de grises (las que da la
escala del computador), esta escala no da la resolución en tonalidad que se necesita para diferenciar
claramente las señales acústicas de las grabaciones. La prueba siguiente es la escala de dos colores en
donde sus tonalidades no deben ser muy lejanas en la gama de color (amarillo-rojo, verde-azul, ect.),
esta escala tampoco da la resolución que se necesita. La mejor escala de color que se puede encontrar
para el análisis de señales acústicas es aquella que toma una gama de color desde el blanco con un
valor máximo de 0,0005 mV en la escala de amplitud pasando por una escala de color en degradé de
tonos azul, rojo, naranja, verde y amarillo hasta el negro que corresponde a un valor mínimo de 0,000006
mV de amplitud (ver escalas en las figuras).
Para encontrar los valores de la escala de amplitud correspondientes a un color determinado es
necesario utilizar una ecuación (distribución no lineal de valores asignados a la escala de colores) del
tipo: L=KA4, en donde L es la intensidad de la señal, K es un valor constante (8x106) y A es un número
que depende del número máximo de amplitud escogido y del valor de la discriminación entre cada color
que tiene el programa (Tabla 1).
VALORES DE AMPLITUD ASIGNADOS A
LA ESCALA
6X10-6
Negro
-5
1,47X10
Verde
3,08X10-5
Amarillo
5,731X10-5
Naranja
9,807X10-5
Fucsia
1,515X10-4
Rojo
-4
2,404X10
Morado
3,526X10-4
Azul
-4
5X10
Blanco
TABLA 1. VALORES ASIGNADOS A LA ESCALA DE COLORES.
En el espectrograma del fonocardiograma de la ballena jorobada de 1985 se observan 2 sonidos muy
definidos, con un rango de intensidades amplio, una repetición de 8 seg. cada sonido y un rango de
frecuencias entre 50 y 400 Hz. Los 2 sonidos se presentan repetitivos en el tiempo, el primer sonido con
un amplio rango de frecuencias hasta 400 Hz y el segundo menos pronunciado en tamaño con la misma
repetición en tiempo pero su rango en frecuencia va hasta 250 Hz (Figura 2).
FIGURA 2. ESPECTROGRAMA DEL FONOCARDIOGRAMA DE LA BALLENA JOROBADA TOMADO
EN ISLA GORGONA EN LA EXPEDICION DE 1985.
En el espectrograma del fonocardiograma humano se observa un registro característico del
funcionamiento del corazón, donde varían sus intensidades ampliamente, y presenta componentes de
frecuencia de 50 a 390 Hz (esta señal es filtrada). En el espectrograma se observa un tipo de señales
repetitivas de forma triangular seguido de una línea recta, esto en tiempo (eje X) se repite con una
frecuencia de 0,32 seg. aproximadamente. Las intensidades mayores de esta señal se encuentran en el
rango de frecuencias de 50 a 100 Hz, en donde sus colores son de tonalidad morado, azul y rojo. Se
observan las intensidades altas en el centro de cada forma triangular y las intensidades bajas de la señal
(sus colores correspondientes son verde, amarillo y marrón) están por encima de 150 Hz a medida que
se asciende en el eje Y (Figura 3).
FIGURA 3. ESPECTROGRAMA DEL FONOCARDIOGRAMA HUMANO. AMPLIACION DE 2,6
SEGUNDOS
El tipo de señal que se encontró en las grabaciones analizadas de los diferentes cruceros, como
“probablemente” producida por el corazón de la ballena jorobada, teniendo en cuenta que cumple con los
parámetros establecidos inicialmente, presenta un rango de frecuencia constante de 175 Hz, presenta
una periodicidad de cada 5-7 seg. y el rango de amplitud está entre 0,0004 mV y 0,0001 mV (Figura 4 y
ampliaciones de 5 segundos).
FIGURA 4. ESPECTROGRAMA DE LA POSIBLE
COMPONENTE ACUSTICA DEL CORAZON DE
LA BALLENA JOROBADA REGISTRADA EN
LAS GRABACIONES. VENTANA DE TIEMPO DE
40 SEGUNDOS.
FIGURA 4A. AMPLIACION DE 0-5 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIAS DE 50-200 HZ.
FIGURA 4B. AMPLIACION DE 5-10 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIA DE 50-200 HZ.
FIGURA 4C. AMPLIACION DE 10-15 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIA DE 50-200 HZ.
FIGURA 4D. AMPLIACION DE 15-20 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIA DE 50-200 HZ.
FIGURA 4E. AMPLIACION DE 20-25 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIA DE 50-200 HZ.
FIGURA 4F. AMPLIACION DE 25-30 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIA DE 50-200 HZ.
FIGURA 4G. AMPLIACION DE 30-35 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIA DE 50-200 HZ.
FIGURA 4H. AMPLIACION DE 35-40 SEGUNDOS.
RANGO DE FRECUENCIAS DE 50-200 HZ.
Las 22 horas totales de grabación para el IV crucero se dividen en: 9 horas totales de grabación análoga,
9 horas totales de grabación digital DAT y 4 horas totales de grabación digital Minidisc. De las 22 horas
totales de grabación en donde se observa la posible señal del corazón de la ballena jorobada solamente
se presenta en 10 horas de grabación, la cantidad restante de grabaciones existe mucha interferencia en
la señales. Estas 10 horas están divididas en: 8 horas análogas y 2 horas digitales. Entre las análogas
están 96 archivos cada uno de 40 seg. Además, se tienen los registros de las horas de grabación para los
otros cruceros analizados (Tabla 2).
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Para analizar los resultados de las grabaciones se deben tener en cuenta algunos parámetros que
indiquen qué tipo de señales localizadas en las grabaciones son producidas por la acción del corazón de
la ballena y qué tipo por otra fuente sonora. Los parámetros que se tienen en cuenta para argumentar
que la señal encontrada puede ser la del corazón de la ballena jorobada, son los siguientes:
-
una señal periódica
-
una señal constante en frecuencia
-
rangos de tiempo similares entre sonidos
-
intensidad de la señal sujeta a variaciones dentro de un rango establecido
-
similitud de la señal en las diferentes grabaciones
CRUCERO
TOTAL
HORAS
ANÁLOGAS
TOTAL
HORAS
DAT
TOTAL
HORAS
MINIDISC
I
9h
4h-30min
2h-28min
II
IV
TOTALES
12h
9h
30h
4h-30min
9h
18h
TOTAL
HORAS
DONDE SE
OBSERVA
LA SEÑAL
4h análogas
# DE
ARCHIVOS
DE 40 SEG.
2h-30min
DAT
1h Minidisc
4h análogas
15 archivos
1h-30min
DAT
3h Minidisc
8h análogas
12 archivos
1h DAT
1h Minidisc
26h de señal
17 archivos
17 archivos
234 archivos
30 archivos
8 archivos
20 archivos
5h-33min
25 archivos
96 archivos
4h
12h-1min
TABLA 2. HORAS TOTALES DE GRABACIÓN ANÁLOGA Y DIGITAL DE CADA CRUCERO.
Para este proyecto de investigación se necesitó la colaboración de la Armada Nacional de Colombia, con
la Flotilla de Submarinos. Esto es de gran importancia ya que no es común encontrar instituciones
militares que trabajen conjuntamente con proyectos de investigación y con personal civil. Además, es el
cuarto año que el submarino es utilizado como plataforma científica y es la segunda vez que se ha tenido
la oportunidad que lo tripulen dos mujeres civiles durante varios días en misión.
Los espectrogramas elaborados de los cantos de las ballenas son importantes ya que dan una
información de los sonidos emitidos en los cantos. Se pueden determinar sus características en tiempo,
frecuencia y amplitud, además se puede observar la forma espectrográfica de la señal y la intensidad de
los sonidos para futuros estudios sobre cantos de jorobadas. Para este estudio en particular se pueden
tener en cuenta estos sonidos para el análisis de las señales del corazón.
Para la realización de la investigación fue necesario hacer unas pruebas de límites sobre el LabVIEW
para el análisis de las señales acústicas. Las pruebas muestran que la ventana de tiempo de 40 seg. se
relaciona con la tasa de muestreo y el total de muestras. La tasa de muestreo de 3,000 fue escogida
debido a que el teorema de Niquist dice que la señal se debe muestrear mínimo al doble de la frecuencia
máxima para que su discriminación en tiempo y frecuencia sea aceptable para el análisis de estas
señales acústicas. El programa presenta un límite máximo de tiempo de 40 seg., porque con ventanas de
tiempo más grandes el programa se bloquea, debido a paquetes de información tan grandes. Se debería
trabajar ventanas de tiempo de 60 seg. para observar la continuidad de toda la señal en el tiempo ya que
la mayoría de las señales de tipo fisiológicas tanto en animales como en el hombre se referencian en
minutos o segundos, temporalmente esto es más fácil de entender un ciclo o un evento fisiológico
completo.
La discriminación en tiempo y frecuencia de cada señal varía de acuerdo al valor de la tasa de muestreo
(3,000) y del número de muestras totales (120,000). Es decir que para determinar los límites de
tiempo y frecuencia, el algoritmo del programa permite obtener un máximo nivel de resolución mediante la
ecuación:
Resolución Tiempo-Frecuencia= Tasa de Muestreo/ M
donde M es el número de muestras a procesar por paquete por ventana. Al asignar valores no se puede
mejorar el tiempo sin perjudicar la frecuencia, ya que en la ecuación las variables son inversamente
proporcionales. Por lo tanto las pruebas realizadas con diferentes valores de 1500, 3000, 6000 y 9000
permiten establecer que el número más bajo aceptable para la tasa de muestreo es de 3000. La mejor
discriminación mínima en frecuencia que se puede obtener es de 20 Hz (ancho de las barras horizontales
para el eje Y del espectrograma) y la mejor discriminación mínima en tiempo que se puede obtener es de
50 mseg. (ancho de las barras verticales para el eje X del espectrograma).
Para los parámetros del espectrograma se corta su rango de frecuencias en 50 y 400 Hz, porque el valor
mínimo de 50 Hz lo da el filtro de corte del sonar pasivo del submarino, este filtro está programado y
diseñado por los fabricantes para cortes de 50 Hz como mínimo valor el cual es inmodificable, así que por
debajo de este valor no se deben tomar en cuenta las señales que aparecen porque están modificadas.
El valor máximo de 400 Hz se determinó cuando se elaboró el filtro electrónico (físico) pasa bajos, por el
ingeniero electrónico Fernando Segura, en donde su corte máximo es de 400 Hz. El corte de 400 Hz se
determinó auditivamente por MaríaCatalina Bernal (1996), Bióloga, en su tesis de grado: “Propuesta para
el uso de la acústica como sistema para realizar estudios en la fisiología del corazón de las ballenas” y
por el Teniente de Navío Ricardo Hurtado (1996), Ingeniero Electrónico Naval, en su tesis de grado:
“Procesamiento de señales acústicas en el corazón de ballenas”. Se espera que la frecuencia de los
sonidos del corazón de la ballena esté por debajo de 400 Hz, debido a que es de mayor tamaño posee
algunas estructuras de mayor masa que no pueden vibrar a una frecuencia muy alta, por lo que el sonido
que produce es de tono grave.
La escala numérica de valores de amplitud permite tener una mayor discriminación en las amplitudes
bajas que en las amplitudes altas. Debido a la baja relación señal-ruido, es decir, la amplitud de la señal
es baja en comparación a las intensidades de los ruidos ambientales y del submarino. Esto se debe entre
otros factores a la pérdida de intensidad del sonido por la propagación en el agua. Teniendo en cuenta
que la ballena se encuentra a cierta distancia del submarino la señal acústica del corazón pierde cierta
cantidad de energía lo que hace que varíe su intensidad al llegar al sonar pasivo del submarino, además
de los otros ruidos que quedan grabados por lo tanto hace que sus amplitudes sean muy bajas.
En el espectrograma del fonocardiograma de la ballena jorobada de 1985, se puede observar dos formas
de señal particulares que posiblemente representen los ruidos cardíacos S1 y S2, los cuales se pueden
definir en tiempo como formas repetitivas de cada 8 seg. teniendo en cuenta que la ventana es de 40 seg.
Lo anterior corresponde, probablemente, ya que el fonocardiograma fue tomado directamente del animal
lo que indica que está grabada la señal que produce el corazón.
En el espectrograma del fonocardiograma humano se puede claramente observar la frecuencia cardíaca
(contracciones por minuto). La señal de forma triangular seguida de una línea recta que se observa en la
parte baja del espectrograma presenta ciertas componentes características en amplitud de 0,03 mV (color
azul-morado) y 0,01 mV (color rojo) que se repiten cada 0,32 seg. aproximadamente. Hacía la parte de
arriba se observan componentes de amplitud entre 0,01 mV y 0,000006 mV (color amarillo y verde). Si se
tiene cuenta que para un adulto hombre su frecuencia cardíaca es de 70 contracciones por minuto se
pueden visualizar muy claramente cada repetición del ciclo. Para esta prueba se debe tener en cuenta
que la señal es bastante “pura” de cualquier otro ruido que pudiera interferir o enmascarar la señal. Se
tomó la señal del fonocardiograma directamente a la persona y con el menos ruido posible. Esto permite
presentar visualmente muchas de las componentes del corazón humano en condiciones ‘casi’ óptimas.
Es importante indicar que se realizó una revisión exhaustiva sobre la bibliografía existente en corazón de
ballenas y estudios de fonocardiografía en ballenas y no se encontró ninguna información al respecto, los
únicos datos bibliográficos que existen son los antecedentes referenciados anteriormente en este trabajo.
Por esto se establecen que los ruidos cardíacos S1 y S2 para la ballena se encuentran en estos rangos
de frecuencia y amplitud analizados en el espectrograma correspondiente. Además, se considera
importante buscar componentes acústicos para el corazón de la ballena por debajo de 60 Hz que
posiblemente existan y sean valiosos para obtener mayor información acerca de rangos de frecuencia e
intensidad en que se encuentran las componentes del corazón de la ballena jorobada.
Para identificar las señales del corazón en el espectrograma de color la escala blanco y negro es ideal
para utilizar ya que permite por medio de contrastes oscuros y claros diferenciar las formas de la señal
que se está buscando sin embargo esta prueba se descarta porque la cantidad de tonos grises
intermedios que presenta el programa sólo tiene 5 posibilidades, esto no es lo suficiente en color para dar
un buen contraste a la señal. Para la escala de dos tonos de color, la prueba muestra que el programa
realiza un degradé entre los colores escogidos y se pierde gran parte de la resolución de color para la
señal en cuestión.
Para los espectrogramas de las señales del corazón de la ballena jorobada se debe tener en cuenta que
la señal presenta mucha interferencia de ruidos con frecuencias e intensidades muy altas y que por esto
no se puede encontrar todas las componentes que tiene el corazón como se observa en el
fonocardiograma del humano. La señal obtenida de la ballena es posiblemente una de las muchas
componentes que presenta el corazón, para corroborar esto se ha basado en los parámetros iniciales
para el análisis de una señal fonocardiográfica humana.
Refiriéndose a las dos pruebas anteriores simplemente se puede decir que el fonocardiograma humano
era una prueba de visualización de un tipo de señal fonocardiográfica que permite identificar una forma
de señal determinada, su repetición en el tiempo y su intensidad. El fonocardiograma de 1985 también
fue una prueba de visualización. Estos se utilizaron como los patrones más adecuados inicialmente para
hacer una analogía. Aunque son tres muestras diferentes y el humano no es comparable directamente a
la ballena permite hacer un acercamiento más a fondo para investigar los sonidos del corazón de la
ballena, no siendo las señales esperadas iguales.
Teniendo en cuenta que en el fonocardiograma humano se presentan unas componentes repetitivas en el
tiempo con un rango de intensidad determinada, se puede decir que la señal que se encontró como
probablemente del corazón de la ballena que presenta una intensidad entre 0,0004 mV y 0,0001 mV
(color azul hasta rojo) puede ser una de las tantas componentes del corazón.
Para las 22 horas totales de grabación del IV crucero se tiene en cuenta que la mayor parte de las
grabaciones presentan mucha interferencia y otra donde están registradas las pruebas del submarino lo
cual no permite que se utilicen para el análisis acústico para encontrar la señal deseada. Por lo tanto sólo
las 10 horas registradas fueron las que mejor presentaban las señales grabadas y su saturación de ruido
era bastante baja lo que permitió trabajar sólo en estos archivos. Para los otros cruceros también se
analizaron las horas de grabación que se tenían y algunas horas de grabación en los tres sistemas
presentaban interferencia de muchos ruidos no permitieron hacer el correcto análisis para las señales por
lo tanto se descartaron esas horas y se trabajaron solo con las que presentaban menos saturación de
ruidos.
Una parte importante del análisis de las señales acústicas del corazón mostró que entre las pruebas
realizadas de los espectrogramas con los dos métodos (dardo 1985, grabaciones IV crucero y
grabaciones de cruceros anteriores) diferentes utilizados se presenta una señal con las mismas
características de tiempo, frecuencia y amplitud. Lo que permite establecer y corroborar que
posiblemente la señal de 175 Hz es una componente del corazón de la ballena jorobada.
CONCLUSIONES
1. La instrumentación virtual sirve como método para el análisis de señales acústicas, en donde se
puede obtener información detallada de la señal de interés en un espectrograma que permite analizar
tres variables importantes como son la frecuencia, el tiempo y la amplitud.
2. La utilización de la instrumentación virtual como metodología para análisis acústico requiere de bajos
costos, es muy versátil en el manejo haciendo su uso más fácil y práctico para las necesidades del
investigador.
3. La utilización del sonar pasivo de los submarinos es una herramienta que permite hacer un
acercamiento mejor al animal de estudio sin causarle ningún estrés ni ningún daño físico.
4. Esta herramienta abre puertas tecnológicas hacia la biología y otras disciplinas, en donde se puede
mejorar la metodología de investigación para este tipo de proyectos científicos.
5. Las pruebas iniciales realizadas en el programa fueron de gran ayuda porque permitieron trabajar en
los mejores límites posibles para el análisis de señales, lo que permite no hacer muestreos errados.
6. Se obtuvo una posible componente del corazón de la ballena jorobada, ésta presenta ciertas
características en tiempo, frecuencia y amplitud, que depende de los parámetros tomados
inicialmente.
7. La señal obtenida que probablemente sea producida por el corazón de la ballena presenta un rango
constante en frecuencia de 175 Hz, una periodicidad de cada 5-7 seg. y un rango de intensidad que
varía entre 0,0004 mV y 0,0001 mV.
8. Es la primera vez que se puede caracterizar una posible señal del corazón de una ballena en
términos de frecuencia, tiempo y amplitud.
9. Muchas de éstas técnicas de audio utilizadas en este trabajo para la obtención y análisis de las
señales acústicas son usadas para realizar grabaciones musicales.
RECOMENDACIONES
1. Para el análisis de este tipo de señales se recomienda la implementación de un programa de
instrumentación virtual que por medio de parámetros establecidos en frecuencia, tiempo y amplitud
reconozca una señal.
2. Para una futura investigación de fonocardiografía en ballenas se debe tener en cuenta al hacer las
grabaciones con el sonar pasivo del submarino, no utilizar los filtros electrónicos cuando la señal está
entrando ya que se puede perder componentes importantes y valiosos de la señal del corazón.
3. En futuras investigaciones tener registradas las pruebas iniciales de ruidos y hacer las grabaciones
cuando exista menos interferencia.
4. Utilizar los cantos sólo para localizar las ballenas, evitando así que los sonidos de los cantos en las
grabaciones interfieran demasiado en los rangos de frecuencia y tiempo de los sonidos del corazón.
5. Para cualquier tipo de investigación científica se recomienda la continuidad de realizar trabajos de
investigación con grupos interdisciplinarios.
6. Para análisis de señales más complejas se debe implementar la utilización de sistemas de filtrado
adaptivo.
7. La utilización de plataformas científicas como los submarinos oceánicos que presentan instrumentos
de alta calidad para recepción de señales acústicas.
8. Se deben rediseñar los sistemas de filtros y actualizar los instrumentos virtuales en el programa.
9. Utilizar algoritmos alternativos de filtrado de mayor complejidad, por ejemplo Gabor y la transformada
binomial entre otros.
10. Tener referencia lo más precisa posible de la distancia y posición de la ballena con respecto al
submarino.
11. Utilizar un banco de filtros para seleccionar ciertos rangos de frecuencia dependiendo del análisis que
se realice en la investigación que se esté llevando a cabo.
12. Un sistema de estandarización automática de la calibración del nivel de la señal de entrada.
13. Un modelo teórico del medio físico para minimizar los problemas de la propagación del sonido en el
agua.
BIBLIOGRAFÍA
1.
Bernal, MariaCatalina. Propuesta para el Uso de la Acústica como Sistema para Realizar Estudios en
la Fisiología del Corazón de las Ballenas. Santafé de Bogotá. Tesis de Grado (Bióloga). Universidad
de Los Andes. Facultad de Ciencias. Carrera de Biología. 1996.
2.
Boletín Informativo. Fuerza Naval del Pacífico. Base Naval ARC “Málaga”. Septiembre, 1997.
3.
Cajiao, E. Hidroacústica. Cartagena D.T y C. Tesis de Grado (Oceanógrafo Físico). Escuela Naval
de Cadetes “Almirante Padilla”. 1986.
4.
Chen, D. The Gabor Spectrogram and its Applications. Stamford, Connecticut: Reed Exhibition
Companies; 1994. Pp. 391-399.
5.
Cousteau, J.Y. Whales. New York. Editions Robert Laffont, S.A. Harry Abrams, Incorporated,
Publishers. 1988.
6.
Harris, C. M. Manual de Medidas Acústicas y Control del Ruido. Madrid. España. Tercera edición.
Mc Graw Hill. 1995.
7.
Harrison, R. & Bryden, M.M. Whales, Dolphins and Porpoises. New York. Intercontinental Publishing
Corporation. 1988.
8.
Hewitt, P.G. Conceptos de Física. México, D.F. Quinta Edición del Ingles. Editorial Limusa, S.A.
Grupo Noriega Editores. 1996.
9.
Hurtado, José Ricardo. Procesamiento de Señales Acústicas en el Corazón de Ballenas. Cartagena
D.T y C. Tesis de Grado (Ingeniero Electrónico). Escuela Naval de Cadetes “Almirante Padilla”.
Facultad de Ingeniería. 1996.
10. Hurst, J.W. El Corazón. Volumen II. Sexta Edición. Impresa en México. Nueva Editorial
Interamericana, S.A. Mc Graw Hill, Inc. 1978.
11. Johnson, G. W. 1994. LabVIEW . Graphical Programming. Mc Graw Hill, Inc., U.S.A.
12. Meijler, F. L. Why a whale?. British Medical Journal. 1989. Vol. 299. Diciembre. Pp. 1563-1565.
13. National Instruments Data Acquisition Seminar. Austin, Texas. National Instruments Corporate
Headquarters. 1994.
14. Netter, F.H. Corazón. Tomo V. Barcelona - España. Edición en Español. Colección Ciba de
Ilustraciones Médicas. Salvat Editores, S.A. 1976.
15. Reynolds, J. El Electrocardiograma y Fonocardiograma de la Ballena Jorobada Megaptera
novaeangliae. Revista Colombiana de Cardiología. 1986. Mayo. Vol. 2 (1). Bogotá.
16. Reynolds, J. Análisis Electrocardiográfico de la Ballena Jorobada Megaptera novaeangliae, registro
durante la lll expedición a la Isla Gorgona. 1990.
17. Reynolds, J. Boletín Informativo. Investigaciones Acústicas. Bogotá. 1993-1995.
18. Reynolds, J. Video Documental: Serie Hallazgos. Acústica. Bogotá. 1996.
19. Riede, K. Monitoring Biodiversity: Analysis of Amazonian Rainforest Sounds. Ambio. 1993.
December. Vol. 22 (8): 546-548.
20. Simmons, K.P. Testing Submarine Sonar Systems with LabVIEW. Austin, Texas. National
Instruments Corporation. 1995.
21. Simposio de Electrocardiografía (ECG) en Corazón de Ballena. Bogotá. Laboratorios Roche. 1991.
22. Slijper, E.J. Whales: The Production of Sounds. London, GB. Hutchinson & Co. Publishers Ltda. Pp.
218-225.
23. Wood, J.C., Buda, A.J. & Barry, D.T. Time-Frecuency Transforms: A New Approach to First Heart
Sound Frecuency Dynamics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 1992. July.Vol. 39 (7):
730-740.
24. Young, R. A. An Introduction to Filter Circuits. Popular Electronics Magazine. 1994. August. Vol.11(8):
69-72, 92.