Um Sistema Automatizado para Testes de Localização de Som em Ouvintes com Deficiência Auditiva

Resumo

Esse protocolo introduz um sistema automatizado de teste de localização de som com posicionamento preciso dos alto-falantes e análise integrada de resposta, validado em participantes com audição normal e em participantes com surdez unilateral. Ela fornece um método reprodutível para avaliar a audição espacial e apoia a classificação funcional utilizando o framework da Classificação Internacional de Funcionamento, Deficiência e Saúde (ICF).

Resumo

A localização sonora é um componente fundamental da percepção auditiva, mas sua avaliação clínica continua sendo tecnicamente exigente. Embora testes de localização em campo aberto usando matrizes de alto-falantes semicirculares sejam considerados o padrão ouro, muitos protocolos existentes dependem de procedimentos orientados pelo examinador e fornecem orientações limitadas para a interpretação funcional de erros de localização.

É apresentado um protocolo automatizado de localização sonora que combina entrega padronizada de estímulos e aquisição de respostas com uma estrutura interpretativa orientada a funções. Os estímulos são apresentados a partir de posições azimutais predefinidas sob condições controladas, as respostas dos participantes são coletadas por meio de uma interface gráfica, e as métricas de desempenho de localização são calculadas automaticamente após a conclusão do teste. Importante, erros quantitativos de localização são posteriormente traduzidos em categorias clinicamente significativas utilizando o framework de classificação baseado na Classificação Internacional de Funcionamento, Deficiência e Saúde (ICF).

O protocolo foi aplicado a 34 adultos, incluindo 20 com audição normal e 14 com surdez unilateral (SSD). Os participantes foram testados sob condições padronizadas, e seu desempenho foi quantificado usando o erro quadrático médio (RMSE) e o erro absoluto médio (MAE). Os resultados foram funcionalmente classificados de acordo com o arcabouço do ICF. Ouvintes com audição normal apresentaram consistentemente baixos erros de localização, correspondendo a incapacidade ou comprometimento leve, enquanto o grupo SSD apresentou erros angulares maiores e níveis mais altos de comprometimento definidos pelo ICF.

Ao integrar um protocolo automatizado de localização com uma escala interpretativa baseada em ICF, essa abordagem facilita a avaliação reprodutível da localização horizontal do som, ao mesmo tempo em que possibilita a interpretação clinicamente relevante de déficits auditivos espaciais. A estrutura proposta apoia testes independentes do examinador e pode ser aplicada em ambientes clínicos e de pesquisa para caracterizar o desempenho da localização entre grupos de ouvintes e intervenções.

Introdução

A perda auditiva é tipicamente quantificada usando audiometria de tons puros, que fornece uma medida direta dos limiares auditivos e permite que os profissionais classifiquem a gravidade do comprometimento e prevejam dificuldades associadas na vida cotidiana. No entanto, o declínio na capacidade de localização sonora, uma consequência funcional da perda auditiva, não pode ser capturado tão facilmente ¹. Ao contrário do teste de limiar, a localização requer a integração de pistas binaurais e é muito mais desafiadora de avaliar objetivamente ou de classificar em termos de deficiência funcional.

Testes convencionais de localização em campo livre há muito tempo são considerados o padrão ouro, mas apresentam várias limitações. É necessário posicionar corretamente pelo menos sete alto-falantes em um arranjo semicircular (-90° a 90°) para garantir testes ^{confiáveis 2}. Os requisitos, incluindo calibração espacial precisa e a necessidade de controlar múltiplos alto-falantes simultaneamente, podem tornar a configuração tecnicamente exigente. Além disso, os procedimentos de localização sonora tradicionalmente dependem de envolvimento substancial dos examinadores em múltiplas etapas de teste, incluindo entrega de estímulos, monitoramento de resposta e registro de^{resultados 3,4}. Embora graus variados de automação tenham sido introduzidos em estudos mais recentes, a supervisão do examinador ou intervenção manual ainda é tipicamente exigida do início ao fim do teste ^5,6. Como resultado, os resultados de localização podem ser influenciados por fatores dependentes do examinador e implementação específica do local, levando à variabilidade na execução dos testes e limitando a padronização entre as instituições. Esses desafios são ainda mais agravados em populações pediátricas, onde manter a atenção e a adesão durante sessões prolongadas de testes pode ser particularmente^{difícil 5}. Coletivamente, esses fatores introduzem variabilidade entre examinadores e locais, complicando comparações entre estudos e limitando a padronização dos protocolos de localização^{sonora 1,7}.

Para enfrentar esses desafios, é necessário um sistema automatizado e padronizado que permita testes eficientes e independentes de localização de som do examinador. Tal sistema não apenas simplificaria o procedimento de teste, mas também aumentaria a reprodutibilidade em ambientes clínicos e de pesquisa. Além disso, além de quantificar o erro angular ou o viés, traduzir o desempenho da localização em categorias funcionais pode apoiar interpretações mais clinicamente significativas.

Neste trabalho, apresentamos uma abordagem integrada para um sistema automatizado de teste de localização de som e demonstramos sua aplicação usando ^{a escala 1} da Classificação Internacional de Funcionamento, Deficiência e Saúde (ICF). Essa abordagem aborda as limitações práticas dos métodos tradicionais, ao mesmo tempo em que fornece uma estrutura padronizada e orientada para a função para avaliar a capacidade de localização em indivíduos com perda auditiva. O sistema proposto é destinado ao uso em ambientes clínicos e de pesquisa controlados, onde é necessária avaliação padronizada da localização do som horizontal. O protocolo atual foca na localização azimutal sob condições fixas de posição da cabeça e não aborda localização vertical ou cenários de escuta dinâmica envolvendo movimento da cabeça. Essas restrições são inerentes ao objetivo de minimizar sinais supérfluos e garantir uma avaliação reproduzível entre examinadores e sessões de teste.

Protocolo

O protocolo do estudo foi revisado e aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional do Hospital do Sagrado Coração da Universidade Hallym (número de aprovação: HALLYM 2023-07-015-001). Todos os participantes forneceram consentimento informado por escrito antes da participação.

1. Instrumentos

NOTA: Durante os testes, o nível de ruído de fundo dentro da cabine foi mantido abaixo de aproximadamente 35 dBA, garantindo que o ruído externo não interferisse no desempenho da localização do som.

Uma cabine à prova de som (dimensões internas de aproximadamente 3.800 × 2.200 × 2.100 mm) proporcionava um ambiente controlado de escuta em campo aberto com ruído ambiente mínimo. Um rack de alto-falantes semicircular com raio de 3.000 mm foi instalado dentro da cabine. Sete alto-falantes foram montados em intervalos de 30°, variando de −90° a +90° de azimute, e todos os alto-falantes estavam posicionados na mesma altura (altura da cabeça quando sentado; aproximadamente 1.050 mm) e a uma distância igual da cabeça do participante (Figura 1). Os alto-falantes eram conectados a uma interface de áudio multicanal usando cabos de áudio XLR balanceados e blindados.

NOTA: Ao conectar múltiplos alto-falantes a um computador pessoal localizado fora da cabine à prova acústica, um painel de cabo ou passante de parede foi instalado na parede da cabine. Isso facilitou a roteagem estável dos cabos entre o interior e o exterior da cabine, mantendo o isolamento acústico e minimizando a desordem dos cabos.
A apresentação do estímulo e a aquisição de dados foram controladas usando um computador pessoal baseado em Windows rodando software desenvolvido sob medida (Figura 2; veja Tabela de Materiais). Uma cadeira ajustável em altura, equipada com encosto de cabeça, foi preparada para estabilizar a posição da cabeça do participante durante a apresentação do estímulo. Uma cadeira feita sob medida com altura do assento e posição de apoio de cabeça ajustáveis era usada para acomodar a antropometria individual dos participantes. O apoio de cabeça forneceu feedback tátil para ajudar os participantes a manter uma orientação consistente voltada para frente durante a apresentação do estímulo.

NOTA: O software personalizado foi desenvolvido internamente para suportar testes automatizados de localização de som. Uma vez iniciado o teste, o software controlava a apresentação do estímulo e o sequenciamento do ensaio, coletava as respostas dos participantes por meio de uma interface sensível ao toque e calculava automaticamente métricas de desempenho de localização, incluindo erro quadrático médio (RMSE), erro absoluto médio (MAE) e viés de localização ao final do teste.

Figura 1. Matriz de alto-falantes para o teste de localização de som horizontal Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Esquema do sistema experimental. O sistema era composto por um computador pessoal conectado a uma interface de áudio, que enviava sinais para um amplificador de potência e, posteriormente, para a matriz de alto-falantes. Um medidor de nível sonoro era usado para calibração para garantir níveis consistentes de saída em todos os alto-falantes. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

2. Setup01

Antes de iniciar o teste, foi realizado um procedimento de calibração para garantir níveis consistentes de apresentação sonora em todos os alto-falantes de teste. Um estímulo de ruído de banda larga que era a raiz quadrada média (RMS) correspondido aos estímulos de teste foi apresentado sequencialmente de cada alto-falante. Um medidor de nível de som de precisão Classe 1, equipado com um microfone de campo livre, foi colocado em um tripé na altura da cabeça (aproximadamente 1.050 mm) na posição do participante. O nível sonoro contínuo equivalente (LZeq; Nível de pressão sonora ponderado em Z, médio no tempo) de cada alto-falante foi medido, e os níveis de saída foram ajustados para que o LZeq medido fosse aproximadamente 60 dB SPL (±0,5 dB) em todos os alto-falantes.

NOTA: O ajuste dos níveis de saída dos alto-falantes foi realizado no nível da interface de áudio para garantir uma calibração consistente entre os alto-falantes. O software personalizado não incluía funções de controle de nível e era usado exclusivamente para apresentação de estímulos, controle de ensaios, coleta de respostas e cálculo de métricas de localização.

3. Experimento

O participante estava sentado na cadeira feita sob medida de modo que a cabeça ficasse alinhada com o alto-falante frontal (azimute 0°, a posição central do arranjo semicircular) e posicionado no centro do conjunto de alto-falantes semicirculares. O encosto de cabeça foi ajustado para se encaixar firmemente contra a protuberância occipital, e o participante foi instruído a manter contato com o apoio durante todo o teste. Um touchpad era colocado diretamente à frente do participante para registrar as respostas, e instruções sobre seu uso eram fornecidas.

NOTA: O posicionamento incorreto no início do teste pode afetar os ângulos efetivos dos alto-falantes e comprometer a precisão da medição. O apoio de cabeça fornecia feedback tátil, permitindo que os participantes monitorassem se a cabeça permanece posicionada corretamente. O dispositivo de resposta não deve atuar como uma barreira visual ou sonora e o touchpad não deve obstruir a linha direta de visão entre o participante e o alto-falante central.

O código de identificação do participante e o número do ensaio foram inseridos, e o status do aparelho auditivo (implante coclear, aparelho auditivo ou ausência de aparelho auditivo) foi selecionado usando a interface gráfica do usuário (GUI). A sequência de familiarização foi iniciada. Na interface gráfica, o botão Familiarização era selecionado para iniciar a sequência de familiarização. O participante foi instruído a manter o olhar voltado para o alto-falante central durante toda a sequência. Durante a sequência de familiarização, o sistema apresentava automaticamente estímulos auditivos sequencialmente de cada alto-falante.

NOTA: O participante foi instruído a manter a cabeça voltada para frente e evitar se virar em direção à fonte sonora durante este passo. O teste de localização sonora utilizou estímulos de ruído de banda larga (20-20.000 Hz) gerados em duas formas espectrais e apresentados em três níveis de intensidade (55, 60 e 65 dB HL). Todos os estímulos tiveram duração de 500 ms com rampas de início e deslocamento de 5 ms, consistentes com os protocolos de localização^{estabelecidos 1,2}. No total, seis estímulos únicos foram apresentados uma vez de cada um dos sete alto-falantes em ordem randomizada, resultando em 42 ensaios por participante.

Figura 3. Interface de mapa de falantes usada para respostas dos participantes. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Na interface gráfica, o botão Pré-teste era selecionado para ativar o modo pré-teste. O participante foi instruído a encarar o alto-falante frontal e a pressionar o botão Start no touchpad quando estiver pronto, mantendo a orientação da cabeça para frente. Ao pressionar o botão Start , o sistema apresentava o primeiro som de teste de um dos alto-falantes. Após a apresentação sonora, a tela do touchpad mudava para um mapa de alto-falantes, no qual o participante selecionava a localização percebida da fonte sonora (Figura 3).

Após cada resposta, o sistema fornecia feedback imediato. Para respostas corretas, uma mensagem de confirmação era exibida antes que a progressão para o próximo ensaio fosse permitida. Para respostas incorretas, a localização correta do alto-falante era destacada no mapa, e o som era reproduzido três vezes desse alto-falante. O pré-teste consistia em três testes e era automaticamente encerrado pelo sistema após a conclusão do terceiro teste.

NOTA: O participante foi monitorado para garantir que a cabeça permanecesse direcionada para o alto-falante frontal durante a sequência de feedback, pois girar a cabeça interferia na percepção precisa dos sinais espaciais. Como os testes individuais não podiam ser repetidos dentro da sequência automatizada, qualquer caso em que o participante claramente não mantivesse a posição exigida da cabeça para frente desencadeava uma reinicialização da sessão em vez de repetição em nível de ensaio. Essas sessões reiniciadas não foram incluídas na análise final. O número de ensaios pré-teste foi pré-definido no sistema (limitado a três ensaios) e não pôde ser modificado pelo^{examinador 8,9}.

Após a conclusão do pré-teste, o botão principal de teste era clicado para iniciar a sequência principal de testes. O participante pressionava o botão Start no touchpad para acionar a apresentação de um som vindo de um dos alto-falantes. Após a apresentação do som, a tela do touchpad mudava para um mapa de alto-falantes, no qual o participante selecionava a localização percebida do som. Após cada resposta, o sistema exibia o botão Próximo . O participante pôde reservar um tempo adicional antes de pressionar o botão Próximo para descansar e verificar a orientação correta da cabeça antes de iniciar o teste subsequente. O sistema avançava automaticamente pelo número pré-definido de tentativas, repetia a sequência de testes e continuava até a conclusão do teste principal.

NOTA: Foi enfatizado que a cabeça permaneceu direcionada para o alto-falante frontal durante todo o teste. Essa posição garantia uma percepção consistente dos sinais espaciais e evitava viés devido a movimentos não intencionais da cabeça. Após o término do estímulo, os participantes puderam virar a cabeça para identificar e selecionar visualmente o alto-falante percebido. Antes do início do próximo teste, entretanto, eles retornaram à posição frontal inicial para garantir que todos os estímulos subsequentes fossem percebidos sob a mesma condição padronizada. Embora o sistema não incluísse acompanhamento integrado da cabeça, o examinador monitorava visualmente a orientação da cabeça durante todo o teste para garantir que os participantes mantivessem a posição avançada exigida antes de cada estímulo.

Ao final do teste, o sistema encerrava automaticamente a sessão e gerava um arquivo de log. O registro continha registros de cada ensaio, incluindo o estímulo apresentado, a direção da fonte sonora e a resposta do participante. Com base nessas respostas, o sistema calculou o RMSE, MAE e viés de resposta, que foram salvos junto com o log do ensaio para análises subsequentes.

NOTA: O arquivo de log foi armazenado corretamente após a sessão, pois continha tanto os dados brutos de resposta quanto as métricas de desempenho calculadas necessárias para análises posteriores.

4. Processamento e Análise de Dados

Após a conclusão do teste de localização sonora, o sistema calculou automaticamente o RMSE, MAE e viés de resposta para cada participante com base nas respostas gravadas do ensaio. Para visualização e preparação de figuras, os dados exportados eram posteriormente processados usando scripts desenvolvidos sob medida.

Para facilitar uma interpretação clinicamente significativa do desempenho de localização sonora, métricas de erro de localização foram ainda categorizadas usando um framework baseado na Classificação Internacional de Funcionamento, Deficiência e Saúde (ICF). Essa abordagem foi adotada com base em um sistema de classificação consensual previamente proposto para localização horizontal do som, que mapeava erros quantitativos de localização em níveis graduados de comprometimento^{funcional 1}. Nesse contexto, o desempenho de localização foi classificado em cinco categorias — não, leve, moderado, grave e completo — com base na distribuição do erro de localização em um grupo de referência de audição normal (NH) e no nível de chance associado ao conjunto específico do teste. Importante destacar que essa classificação não substituiu métricas convencionais de erro (por exemplo, RMSE ou MAE), mas serviu como uma camada interpretativa que traduzia as medidas numéricas de desempenho em categorias funcionalmente relevantes. A classificação baseada em ICF foi aplicada post hoc aos resultados de localização obtidos no presente estudo para apoiar a interpretação padronizada e facilitar a comparação entre participantes e grupos de ouvintes.

Resultados

Um total de 34 participantes foi inscrito neste estudo, com 20 adultos com audição normal (NH) e 14 adultos com surdez unilateral (SSD), definidos como tendo perda auditiva de grave a profunda no ouvido comprometido (> 70 dB HL) e um ouvido contralateral com média tonal pura ≤30 dB HL até 4.000 Hz, seguindo uma definição de SSD estabelecida por consenso^{internacional 2. 10}. O grupo NH era composto por 12 homens e 8 mulheres, com i...

Discussão

Para contextualizar o desempenho do sistema de localização proposto, os erros de localização observados no presente estudo foram examinados em relação aos valores relatados em estudos anteriores de localização em campo livre. Embora comparações quantitativas diretas entre estudos sejam inerentemente limitadas por diferenças em configurações experimentais, parâmetros de estímulo e métodos de resposta, trabalhos anteriores relataram que o desempenho de localização horizontal do som em ouvi...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Software personalizado de teste de localização de som	Desenvolvimento interno	N/A	Software desenvolvido sob medida (baseado em Python, versão 3.14.2) usado para apresentação automatizada de estímulos, sequenciamento de ensaios, coleta de respostas baseada em tela sensível ao toque e cálculo automático de RMSE, MAE e viés de localização.
Software R	Fundação R para Computação Estatística	N/A	Ambiente de computação estatística usado para visualização de dados post hoc e geração de figuras (versão 4.4.2)
Interface de áudio RME Fireface UFX+	RME	Fireface UFX+	Placa de som ASIO compatível com multicanal usada para reprodução de estímulos e calibração de níveis. Os níveis de saída dos alto-falantes individuais eram ajustados no nível da interface.
Alto-falantes Genelec 8010A	Genelec	8010A	Alto-falantes de gama completa usados para testes de localização de som em campo livre. Todos os alto-falantes eram modelos idênticos para garantir uma saída acústica consistente em todas as posições azimutais.
Suporte semicircular personalizado	Fabricação interna	N/A	Raio 3000 mm, altura 1050 mm, projetado para montar 7 alto-falantes em espaçamento angular igual (30 graus)
Cadeira com ajuste de altura	Fabricação interna	N/A	Cadeira personalizada com altura ajustável e apoio de cabeça ajustável, usada para fornecer feedback tátil e manter uma posição estável da cabeça durante os testes.
Computador pessoal baseado em Windows	ASUS	PN64	Mini PC (Intel Core i5-13500H) usado para apresentação de estímulos, controle de testes e aquisição de dados
Cabo de áudio balanceado	Mogami	W2594	Cabo de áudio balanceado de baixa capacitância, usado para conectar alto-falantes à interface de áudio
Medidor de nível sonoro	Brü El & Kjæ r	Tipo 2250	Usado para calibração da saída de alto-falantes; Instrumento de precisão Classe 1 (IEC 61672-1)
Microfone de campo livre	Brü El & Kjæ r	Tipo 4189	½-polegadas de microfone de campo livre pré-polarizado, compatível com o Tipo 2250, usado para medição precisa de SPL.
Monitor de tela sensível ao toque	Jooyon	Vista de transporte B	Monitor de tela sensível ao toque para coleta de respostas dos participantes.
Sala à prova de som	Sontek (feito sob medida, Coreia)	N/A	Externa: 4050 e vezes; 2450 e vezes; 2575 mm (W e horários; D & times; H); Interno: 3800 e vezes; 2200 e vezes; 2100 mm, projetado para fornecer um ambiente isolado de ruído para testes em campo aberto