聽神經(jīng)復合動作電位教學實驗平臺的研制

宮 琴，黎婷婷，劉 帥

（1.清華大學生物醫(yī)學工程系，北京 100084；2.清華大學深圳研究生院生物醫(yī)學研究中心，廣東深圳 518055）

聽神經(jīng)復合動作電位教學實驗平臺的研制

宮 琴1，2，黎婷婷1，劉 帥2

（1.清華大學生物醫(yī)學工程系，北京 100084；2.清華大學深圳研究生院生物醫(yī)學研究中心，廣東深圳 518055）

為了加深學生對聽神經(jīng)復合動作電位的原理、檢測方法和分析處理方法的理解和掌握，開發(fā)了一套聽神經(jīng)復合動作電位閾值和調(diào)諧曲線的教學實驗平臺。該平臺采用外置聲卡作為信號采集系統(tǒng)，基于C＃語言編寫配套程序完成對聲卡的控制，實時檢測聽神經(jīng)復合動作電位的閾值和調(diào)諧曲線的信號，進行結(jié)果顯示，并可保存實驗結(jié)果以備后續(xù)分析研究。該教學平臺不僅為學生提供了掌握基礎(chǔ)知識的必要實驗條件，而且為學生設(shè)計、驗證開放性實驗，激發(fā)創(chuàng)新性思維創(chuàng)造了機會。

教學實驗平臺；聽神經(jīng)復合動作電位；調(diào)諧曲線

“生物醫(yī)學聲學的工程分析和處理”課程是清華大學對本校研究生開設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，聽神經(jīng)復合動作電位（compound action potential，CAP）的相關(guān)內(nèi)容是該課程的基礎(chǔ)知識。在實際教學中，學生對聽神經(jīng)CAP的閾值和CAP調(diào)諧曲線（compound action potential tuning curve，CAP TC）［1－3］的理解、掌握將有助于對聽神經(jīng)頻率選擇特性（frequency selectivity，F(xiàn)S）［4－5］的掌握和提高。由于聽神經(jīng)的FS反映了耳蝸聽神經(jīng)對某一刺激頻率成分的濾波和分辨能力，反映了聽覺系統(tǒng)的重要功能，因此，它在聽覺基礎(chǔ)研究和臨床中有著重要的作用。本文基于外置聲卡和采用C＃編程［6－7］研制了一套聽神經(jīng)復合動作電位教學實驗平臺［8］。該教學平臺不僅為學生提供了必要的基礎(chǔ)實驗條件，提高了課堂教學效率［9－10］，而且為學生設(shè)計、驗證開放性實驗，激發(fā)創(chuàng)新性思維創(chuàng)造了機會。

1 實驗平臺硬件系統(tǒng)

聽神經(jīng)復合動作電位教學實驗平臺的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。它包括計算機、高精度外置聲卡Fireface 800、一對微型耳機ER－2、微型麥克風ER－10B＋及配套的前置放大器、耳蝸電極、生物電放大器和配套的高阻抗輸入級。整個實驗平臺以計算機為控制中心，主要包括刺激聲信號通路、采集聲信號通路和采集電信號通路。

（1）刺激聲信號通路：計算機將數(shù)字信號傳送到外置聲卡Fireface 800，該聲卡的2個線性模擬輸出通道LineOut1和LineOut2對數(shù)字信號進行D/A轉(zhuǎn)換后得到的模擬電壓驅(qū)動一對微型揚聲器ER－2工作，ER－2的電－聲轉(zhuǎn)換后的聲信號由聲管傳送到測試動物耳道進行刺激。

（2）采集聲信號通路：播放刺激聲的同時，耳道內(nèi)的微型麥克風ER10B＋接收耳道刺激聲偽跡，由配套的麥克風前置放大器進行放大后輸入聲卡Fireface 800線性模擬輸入通道LineIn2，模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號傳送到計算機軟件進行觀察。

（3）采集電信號通路：播放刺激聲的同時，放置于耳蝸圓窗膜上的耳蝸電極引導誘發(fā)產(chǎn)生的生物電信號和噪聲，然后通過高阻抗輸入級輸入到生物電放大器Grass CP511進行濾波和放大，最后由聲卡Fireface 800線性模擬輸入通道LineIn1進行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號傳送到計算機軟件進行CAP信號檢測和CAP TC提取。

3個通路協(xié)同工作，完成刺激誘發(fā)CAP信號的采集，同時監(jiān)測耳道聲音是否正常。

圖1 聽神經(jīng)CAP教學實驗平臺硬件系統(tǒng)框圖

硬件系統(tǒng)的實物連接圖如圖2所示。外置聲卡Fireface 800通過IEEE 1394接口與計算機連接，輸出刺激聲和輸入采集的電信號和聲信號。

2 實驗平臺軟件系統(tǒng)

聽神經(jīng)CAP教學實驗平臺的軟件系統(tǒng)的設(shè)計基于VS 2010平臺的C＃語言，主要功能分為以下幾個模塊。

2.1 實驗信息管理數(shù)據(jù)庫

運行實驗平臺軟件時，首先將實驗信息錄入界面，填寫實驗信息后單擊“保存”按鈕，彈出操作提示窗口詢問用戶是否確定保存當前實驗信息，如圖3所示。如果選擇“確定”則軟件保存當前信息于一個新建Ex－cel表中；若選擇“取消”或關(guān)閉操作提示窗口，則提示用戶可重新填寫實驗信息。

圖2 聽神經(jīng)CAP教學實驗平臺硬件實物連接圖

圖3 實驗信息錄入與提示

為方便用戶管理實驗數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計了實驗信息數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。每當用戶保存新的實驗信息，軟件將最新的動物信息添加到數(shù)據(jù)庫最后一項。

圖4 實驗信息數(shù)據(jù)庫

2.2 傳感器探頭和耳蝸電極位置校準

軟件設(shè)計了傳感器探頭校準功能，以保證向測試動物耳道提供準確的刺激聲；另外設(shè)計了耳蝸電極位置校準功能，以保證能正確檢測到CAP波形。由于這2個功能的執(zhí)行過程相似，所以集合到一個頁面上，如圖5所示。用戶將參數(shù)中的疊加次數(shù)設(shè)置為1次，然后單擊“開始校準”，頁面左下位置實時顯示當前回采的聲道聲音波形，用戶根據(jù)聲音波形和幅度大小判斷傳感器探頭在測試動物耳道中的位置是否正確，若不正確則對其進行調(diào)整；同時，頁面左上位置實時顯示當前由耳蝸電極引導并經(jīng)過軟件信號處理得到的CAP和耳蝸微音器電位（cochlear micro－phonics，CM）波形結(jié)果（圖5中紅色曲線表示CAP波形，黑色曲線表示CM波形［11］，藍色脈沖下降沿表示刺激聲起點）；用戶根據(jù)有無CAP、CM波形判斷耳蝸電極是否在圓窗膜上，若不在則對其進行調(diào)整；在完成傳感器探頭和耳蝸電極位置調(diào)整后，單擊“終止校準/測量”結(jié)束校準。

在完成校準后，選擇較大的疊加次數(shù)，單擊“測量CAP”，頁面將疊加平均［12－13］后的CAP/CM波形、耳道聲音波形分別顯示于頁面的左上圖和左下圖，同時將波形圖片和波形數(shù)據(jù)分別保存到計算機路徑“D：＼CAPTCPF＼”下的“pic”和“txt”文件夾中，文件的命名基于頁面右上的實驗數(shù)據(jù)庫列表的當前選項，其他頁面的數(shù)據(jù)保存情況類似。

圖5 傳感器探頭和耳蝸電極位置校準界面

2.3 聽神經(jīng)CAP的閾值和CAP TC檢測

在檢測某個刺激頻率的CAP TC前，首先要確定該頻率下能誘發(fā)CAP響應(yīng)的最小刺激聲強度，即CAP閾值。軟件設(shè)計了相應(yīng)的CAP閾值檢測頁面，如圖6所示，能測試一定頻率范圍的CAP閾值。用戶完成參數(shù)設(shè)置后，單擊“開始測試”，軟件自動完成設(shè)置頻率范圍的所有頻率點的閾值測試，并將所有閾值連接成閾值曲線顯示于頁面左上位置，而圖片文件保存于計算機中。在測試過程中，頁面實時顯示當前的CAP/CM波形于左下位置，并自動保存圖片文件和波形數(shù)據(jù)，同時顯示當前的過程結(jié)果于“當前測試點”、“上一測試點”和“測試與數(shù)據(jù)存儲進度提示”中。

用戶根據(jù)閾值檢測結(jié)果，在CAP TC檢測頁面（如圖7所示）中設(shè)置某一頻率刺激聲的閾值以上的強度，并設(shè)置抑制聲的測試頻率范圍和步長等，然后單擊“開始測試”，軟件自動完成抑制頻率范圍的CAP TC檢測，并將結(jié)果顯示于頁面左上位置，而圖片文件保存在計算機中。在測試過程中的波形顯示、保存和過程量顯示與CAP閾值檢測頁面的相似。

圖6 CAP閾值檢測界面

圖7 CAP TC檢測界面

3 結(jié)論

本文設(shè)計搭建了聽神經(jīng)復合動作電位的教學實驗平臺，實現(xiàn)了對聽神經(jīng)復合動作（CAP）的實驗信息數(shù)據(jù)庫的管理、傳感器探頭和耳蝸電極位置的校準、CAP閾值檢測和CAP TC的檢測等功能，并能進行實時顯示和結(jié)果存儲。

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Development of teaching experimental platform for auditory nerve compound action potential

Gong Qin1，2，Li Tingting1，Liu Shuai2
（1.Department of Biomedical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2.Research Center of Biomedical Engineering，Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University，Shenzhen 518055，China）

In order to help students to enhance the understanding of the principle，detection and analysis method of auditory nerve compound action potential（CAP），the teaching experimental platform of auditory nerve compound action potential is developed based on external sound card which is controlled by C＃language programming.Real time processing is performed in the experimental platform to detect the threshold and tuning curves（TC）of auditory nerve CAP，which shows the results，and saves the data for future analysis.This teaching experimental system supplies not only the necessary experimental platform for students to understand the basic knowledge，but also the chance for students to explore their innovative thinking to design and test innovative open experiments.

teaching experimental platform；auditory nerve compound action potential；tuningcurves

TP302；G434

A

1002－4956（2014）1－0114－03

2013－06－15

清華大學“985工程”教材建設(shè)項目；國家自然科學基金項目（61271133）；教育部博導基金項目（20120002110054）

宮琴（1968—），女，山東文登，博士，副教授，博士生導師，長期從事生物醫(yī)學工程教學與科研工作.

E－mail：gongqin＠m(xù)ail.tsinghua.edu.cn