基于Labview平臺(tái)的耳聲發(fā)射綜合檢測(cè)系統(tǒng)的研制

彭誠(chéng)，李俊奎，杭圣超

（清華大學(xué)深圳研究生院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳 518055）

引言

耳聲發(fā)射（otoacoustic emissions，OAE）是一種產(chǎn)生于內(nèi)耳耳蝸，經(jīng)中耳傳導(dǎo)釋放到外耳道的能被檢測(cè)到的微弱音頻能量[1]。早在1948年，Gold[2]就預(yù)言了OAE的存在；到1978年，由Kemp[3]首次明確地檢測(cè)出了OAE并將其應(yīng)用于臨床。耳聲發(fā)射的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)了耳蝸不僅能被動(dòng)地接收外界聲信號(hào)，同時(shí)能夠主動(dòng)釋放能量，成為近年研究耳蝸功能的主要因素[4]，從而確立了耳蝸是一雙向換能器的學(xué)說。

據(jù)外界刺激聲的有無，耳聲發(fā)射可分為自發(fā)耳聲發(fā)射（spontaneous OAE，SOAE）和誘發(fā)耳聲發(fā)射（Evoked OAE，EOAE）兩大類。SOAE是指在安靜的環(huán)境下，不存在外界刺激聲時(shí)，耳蝸?zhàn)园l(fā)釋放的一種OAE信號(hào)。而EOAE根據(jù)外界刺激聲的不同又可以分為：由刺激聲很短的Click聲（短聲）或短純音誘發(fā)的瞬態(tài)誘發(fā)耳聲發(fā)射（Transient Evoked OAE，TEOAE）；由兩個(gè)不同頻率的疊加在一起的純音誘發(fā)，從而產(chǎn)生其他頻率信號(hào)的畸變產(chǎn)物耳聲發(fā)射（Distortion Product OAE，DPOAE）。關(guān)于耳聲發(fā)射，還有兩種常見的研究。一者是同步自發(fā)耳聲發(fā)射（Synchronized SOAE，SSOAE），它的誘發(fā)方法與TEOAE一樣，但檢測(cè)的時(shí)間窗不同。TEOAE一般使用20ms的時(shí)間窗，而SSOAE則通常使用80ms的時(shí)間窗并取后60ms的OAE信號(hào)作為SSOAE[5]。另一者是施加對(duì)側(cè)聲刺激（Contralateral Acoustic Stimulation，CAS），指的是在雙耳的一側(cè)（稱為對(duì)側(cè)）施加白噪聲或純音的情況下，在另一側(cè)檢測(cè)耳聲發(fā)射（稱為同側(cè)）。CAS可以對(duì)同側(cè)(檢查測(cè))的OAE起抑制作用。

OAE的發(fā)現(xiàn)目為外周聽覺系統(tǒng)，特別是耳蝸功能的檢查，提供了一種新的無損檢測(cè)方法，在臨床上得到了越來越廣泛的使用。自1988年英國(guó)Otodynamic公司推出第一款商用的ILO88耳聲檢測(cè)設(shè)備以來，丹麥的Madsen公司、美國(guó)的Biologic公司和德國(guó)的MAICO公司相繼推出自己的OAE檢測(cè)設(shè)備。這些進(jìn)口產(chǎn)品功能全面，性能可靠，但是普遍價(jià)格昂貴。為了更加深入耳聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的自主開發(fā)，本研究重新開發(fā)一款基于NI USB6211數(shù)據(jù)采集卡和Labview平臺(tái)的耳聲檢測(cè)系統(tǒng)。這款系統(tǒng)不僅能檢測(cè)并分析SOAE、TEOAE、DPOAE信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)了SSOAE檢測(cè)與分析以及施加CAS的耳聲發(fā)射檢測(cè)。

1 耳聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

如圖1-1所示，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求主要包括兩個(gè)方面：一個(gè)是綜合多功能，系統(tǒng)能夠檢測(cè)無CAS或存在CAS的SOAE、TEOAE、SSOAE和DPOAE這四種耳聲發(fā)射信號(hào)，并能夠根據(jù)OAE的類型進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理求出其特征參數(shù)，而且系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)接口，可以導(dǎo)入其他平臺(tái)檢測(cè)到的OAE信號(hào)進(jìn)行處理；另一個(gè)是要求滿足商用與科研雙重標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)友善的操作界面以提高用戶體驗(yàn)，同時(shí)提供多樣的、靈活的參數(shù)控制用于更全面地研究耳聲發(fā)射信號(hào)的信息。

圖1-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求示意圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2所示，主要由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、預(yù)處理電路以及內(nèi)嵌揚(yáng)聲器和傳聲器的聲學(xué)傳感器的組成。如圖1-3所示，本系統(tǒng)可劃分為三個(gè)核心模塊，分別是：軟硬件協(xié)調(diào)工作的刺激聲發(fā)射與OAE數(shù)據(jù)采集模塊；信號(hào)采集完成后，運(yùn)行于后臺(tái)軟件的信號(hào)處理模塊；貫穿全系統(tǒng)的、實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的UI界面模塊。

2 耳聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)SOAE、SSOAE、TEOAE和DPOAE這四種耳聲信號(hào)的檢測(cè)，并且可以選擇無CAS模式或存在CAS（白噪聲或純音）模式。

圖1-2 耳聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1-3 耳聲檢測(cè)系統(tǒng)模塊框圖

2.1 SOAE檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)

SOAE檢測(cè)不需要外界刺激，只需要設(shè)置輸入通道測(cè)量耳聲信號(hào)。為突出頻譜中的SOAE頻點(diǎn)，采用頻域疊加平均的方法求SOAE的頻譜：測(cè)量一段連續(xù)的SOAE信號(hào)（1~2s），將信號(hào)分為若干段等長(zhǎng)的子信號(hào)，然后求各子信號(hào)的幅度譜并進(jìn)行疊加平均求得SOAE的幅度譜，并在幅度譜上自動(dòng)檢測(cè)并標(biāo)注SOAE頻點(diǎn)（設(shè)閾值為T dB，某頻率極值點(diǎn)若比附近頻帶的本底噪聲高T dB，則自動(dòng)標(biāo)注為SOAE頻率點(diǎn)）。如上所述，頻域疊加的方法將丟失信號(hào)的相位信息，但考慮到SOAE是持續(xù)信號(hào)，其相位信息并沒有明確的物理意義。

2.2 TEOAE檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)

以刺激聲為開始標(biāo)志，TEOAE的潛伏期為3~5ms，持續(xù)時(shí)間為15ms左右[6]，檢測(cè)TEOAE通常選擇20ms的數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度。

Click刺激聲輸出與OAE數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖2-1所示。系統(tǒng)采用多次測(cè)量并進(jìn)行相干平均的方法，降低背景噪聲的影響，提高信噪比；系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的線性平均方式和導(dǎo)出的非線性響應(yīng)（derived nonlinear response, DNLR）[7]的平均方式，在檢測(cè)時(shí)可選擇其中一種。為了實(shí)現(xiàn)有效的相干平均，需要對(duì)齊各段測(cè)量數(shù)據(jù)。以Click聲的開始端作為對(duì)齊標(biāo)志是理想的選擇，這時(shí)候就需要OAE信號(hào)采集與Click聲輸出同步（同步開始或OAE信號(hào)開始采集時(shí)刻始終滯后Click聲一個(gè)固定的時(shí)間段）。本系統(tǒng)采用Click聲輸出與OAE信號(hào)采集同步開始的方法。USB6211采集卡與Labview平臺(tái)搭配使用，可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)輸入輸出同步。采用TEOAE信號(hào)減去其均值后得到的信號(hào)的均方根（RMS）值作為背景噪聲的幅度，用于系統(tǒng)拒噪閾值的實(shí)時(shí)設(shè)置。

圖2-1 Click刺激聲輸出與OAE數(shù)據(jù)采集的流程圖

2.3 SSOAE檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)

如前文所述，SSOAE的檢測(cè)方法與TEOAE十分類似，只是所取的記錄時(shí)間窗不一樣，TEOAE的記錄時(shí)間窗為20ms，SSOAE的記錄時(shí)間窗為80ms，并取后60ms的數(shù)據(jù)，所以SSOAE可認(rèn)為不存在刺激偽跡。與SOAE一樣，本系統(tǒng)也將自動(dòng)標(biāo)注SSOAE頻率點(diǎn)。SSOAE的噪聲估計(jì)方法與TEOAE一樣，都是使用去直流后的信號(hào)的RMS值作為背景噪聲強(qiáng)度。

2.4 DPOAE檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)

特定頻率的DPOAE的檢測(cè)與TEOAE/SSOAE類似，主要區(qū)別是刺激聲不同和噪聲估計(jì)方法不同。

DPOAE的刺激聲是兩個(gè)頻率不同的純音信號(hào)的疊加[8]。的比率一般取為1.2~1.5，文獻(xiàn)[9]的實(shí)驗(yàn)得到的最佳比率為1.22。兩純音的幅度相等或比大5dB左右。同時(shí)需要考慮兩個(gè)純音信號(hào)是在電信號(hào)端疊加（即疊加兩純音信號(hào)的緩存數(shù)據(jù)，實(shí)際只輸出一路信號(hào)），還是在聲信號(hào)端疊加（即真實(shí)地輸出兩個(gè)純音信號(hào)，兩路聲信號(hào)在傳播過程中疊加，這意味著需要有兩個(gè)揚(yáng)聲傳感器），文獻(xiàn)[10]表明這兩種疊加方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有差異的。軟件設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種疊加方法，添加按鈕供檢測(cè)時(shí)選擇疊加的方法。

因?yàn)闄z測(cè)DPOAE時(shí)刺激聲是同時(shí)存在的，所以不能像TEOAE和SSOAE那樣直接使用信號(hào)的RMS值估計(jì)噪聲。本系統(tǒng)使用文獻(xiàn)[10]的噪聲估計(jì)方法。先將測(cè)量得到的DPOAE數(shù)據(jù)按整周期分段，即每一段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度都是兩種純音信號(hào)周期的整數(shù)倍，同時(shí)也是第三音周期的整數(shù)倍。相鄰兩段信號(hào)相減，其結(jié)果將不含刺激聲；而且DPOAE信號(hào)與刺激聲有明確的相位關(guān)系，相減后的信號(hào)也將不含第三音；也就可以認(rèn)為相關(guān)后的信號(hào)只含有噪聲。使用這種相鄰段信號(hào)相減得到的信號(hào)的RMS值估計(jì)背景噪聲。

一般地是DPOAE中最顯著的畸變產(chǎn)物，文獻(xiàn)[4]也指出現(xiàn)有研究多數(shù)也只檢測(cè)處的譜線狀況。本系統(tǒng)檢測(cè)不同刺激頻率下的強(qiáng)度，并繪制DPOAE聽力圖。

2.5 對(duì)側(cè)刺激

本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)無CAS、存在白噪聲CAS和存在純音CAS的OAE信號(hào)檢測(cè)。輸出CAS刺激信號(hào)時(shí)，將輸出端設(shè)置為多通道輸出使耳聲發(fā)射刺激信號(hào)和CAS信號(hào)同時(shí)輸出即可。

2.6 系統(tǒng)定標(biāo)

系統(tǒng)定標(biāo)是實(shí)現(xiàn)聲學(xué)參量和電參量的相互轉(zhuǎn)換。

2.6.1 輸入定標(biāo)

輸入定標(biāo)是將采集到的電參量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為聲參量數(shù)據(jù)。對(duì)于本系統(tǒng)，輸入定標(biāo)涉及傳聲器的聲電轉(zhuǎn)換函數(shù)（當(dāng)輸入的聲壓為P時(shí)，傳聲器輸出的電壓為Ui，設(shè)為其逆函數(shù)）和預(yù)處理電路的增益A。設(shè)數(shù)據(jù)電壓值V對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)聲壓為SPL，則V=A·Ui(P)，即P=Pi(V/A)。

2.6.2 輸出定標(biāo)

輸出定標(biāo)是將刺激聲的聲參量轉(zhuǎn)換為電參量。對(duì)于本系統(tǒng)，輸出定標(biāo)涉及到揚(yáng)聲器的聲電轉(zhuǎn)換函數(shù) （當(dāng)輸出的聲壓為P時(shí)，傳聲器輸入的電壓為U0）。當(dāng)要求輸出強(qiáng)度為SPL的刺激聲時(shí)，其對(duì)應(yīng)的電壓U（對(duì)于純音信號(hào)，指的是其峰值）：

這里需要注意的是，click刺激聲和純音信號(hào)的聲電轉(zhuǎn)換函數(shù)是不一樣的，而對(duì)于不同頻率的純音信號(hào)，其聲電轉(zhuǎn)換函數(shù)也是不一樣的。

2.6.3 傳感器定標(biāo)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)傳聲器定標(biāo)數(shù)據(jù)參考其使用手冊(cè)上的數(shù)據(jù)。揚(yáng)聲器的定標(biāo)方案如圖2-2所示，定標(biāo)方案符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB12060-1989，仿真耳符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)711(1981)，短聲的定標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7341.3-1998《聽力計(jì) 第三部分：用于測(cè)聽與神經(jīng)耳科的短持續(xù)聽覺測(cè)試信號(hào)》。定標(biāo)設(shè)備包括Brüel & Kjaer（B&K）公司3560B型采集前端及配套軟件PULSE，以及B&K公司4157型仿真耳（Ear Simulator）。B&K采集前端配合軟件PULSE可測(cè)得輸入仿真耳的聲音強(qiáng)度（Pa），再將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)（SPL dB）。

圖2-2 揚(yáng)聲器定標(biāo)方案

2.6.4 傳感器管理模塊

不同傳感器的靈敏度參數(shù)不一樣，更換傳感器需要更新系統(tǒng)中使用的傳感器靈敏度參數(shù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳感器管理模塊，并規(guī)定了傳感器靈敏度參數(shù)的二進(jìn)制文件的存儲(chǔ)格式，當(dāng)更換傳感器時(shí)，只需要導(dǎo)入新傳感器對(duì)應(yīng)的靈敏度參數(shù)文件即可使系統(tǒng)工作在標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)環(huán)境，而不需要修改源程序。這使得系統(tǒng)可兼容多種傳感器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)的軟件操作界面如圖3-1所示。受試對(duì)象為一例健康耳，各頻段純音聽閾均小于20dB。

圖3-1 軟件操作界面

3.1 SOAE的檢測(cè)結(jié)果

SOAE的檢測(cè)結(jié)果如圖3-2(a)所示。在0.5~8kHz的頻帶內(nèi)自動(dòng)檢測(cè)SOAE頻率點(diǎn)（因?yàn)轭A(yù)處理電路的濾波帶寬為0.5~8kHz），結(jié)果如表3-1所示。

表3-1 SOAE頻率點(diǎn)

3.2 TEOAE及CAS-TEOAE的檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)TEOAE時(shí)，使用時(shí)長(zhǎng)為80，幅度為80dB SPL的click聲作為刺激聲，檢測(cè)結(jié)果如圖3-2(b)所示（白色曲線為A組序列，紅色曲線為B組序列，下同）?？傮w參數(shù)如表3-2所示，三項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果都比較顯著地表明了總體上TEOAE存在。分頻段相關(guān)率和分頻段信噪比如表3-3所示，各頻段的相關(guān)率和信噪比都比較高，表明各頻段的TEOAE都可檢出。

表3-2 TEOAE的總體參數(shù)

表3-3 TEOAE的分頻段參數(shù)

施加1.5kHz的純音CAS后，TEOAE的波形如圖3-2(c)所示，其參數(shù)如表3-4所示。不存在CAS時(shí)，TEOAE的強(qiáng)度為20.26dB（總體噪聲與總體信噪比之和）；而當(dāng)施加CAS后，TEOAE的強(qiáng)度變?yōu)?9.78dB，也即TEOAE的強(qiáng)度減弱。從A、B兩組信號(hào)的相關(guān)度和信號(hào)的總體信噪比對(duì)比單側(cè)刺激TEOAE和CAS刺激TEOAE，也可反映出CAS對(duì)耳聲發(fā)射信號(hào)的抑制作用。

表3-4 TEOAE-CAS的總體參數(shù)

3.3 SSOAE的檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)SSOAE時(shí)，使用與TEOAE相同的刺激聲，檢測(cè)結(jié)果如圖3-2（d）和圖3-2（e）所示，前者是相干平均后的時(shí)域波形，后者是對(duì)應(yīng)的幅度譜?？傮w相關(guān)率，總體噪聲，總體信噪比如表3-5所示，三項(xiàng)總體參數(shù)也表明了可檢出SSOAE。SSOAE頻率點(diǎn)如表3-6所示，對(duì)比表3-1 SOAE頻率點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)SSOAE的頻率點(diǎn)與SOAE的頻率點(diǎn)確實(shí)高度相關(guān)，但SSOAE多檢出了頻率點(diǎn)2.86kHz，再觀察圖3-1，發(fā)現(xiàn)在頻率2.86kHz處，SOAE也有疑似頻率點(diǎn)。之所以在SSOAE檢測(cè)出了該頻率點(diǎn)，是因SSOAE檢測(cè)使用了相干平均的方法抑制了噪聲，從而突出了低幅度的OAE信號(hào)。

表3-5 SSOAE的總體參數(shù)

3.4 DPOAE的檢測(cè)結(jié)果

設(shè)定頻率比例為f2/f1=1.22，DPOAE曲線圖如圖3-2(f)所示，各頻率數(shù)值和第三音強(qiáng)度如表3-7所示。

表3-6 SSOAE頻率點(diǎn)

表3-7 DPOAE頻率和第三音強(qiáng)度

圖3-2 OAE檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究開發(fā)了一款基于數(shù)據(jù)采集卡和Labview平臺(tái)的綜合耳聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SOAE、TEOAE、SSOAE和DPOAE等四種耳聲發(fā)射信號(hào)的檢測(cè)和分析，并且可以選擇無CAS模式或存在CAS（白噪聲或純音）模式，對(duì)比兩種模式下的OAE可以區(qū)分蝸性或者蝸后上橄欖復(fù)核的聽力正常與否。完成聲學(xué)感器定標(biāo)并將其靈敏度參數(shù)導(dǎo)入到本系統(tǒng)，使得系統(tǒng)能在標(biāo)準(zhǔn)的定量條件下工作。最后通過初步實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)的有效性，為接下來要開展更廣泛的實(shí)驗(yàn)和開展深入的OAE分析奠定了基礎(chǔ)。

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