基于USB聲卡的便攜式AEP檢測系統(tǒng)的設(shè)計*

何超文，張志忠，林　霖，王　濤

（南方醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，廣東 廣州510515）

基于USB聲卡的便攜式AEP檢測系統(tǒng)的設(shè)計*

何超文，張志忠，林霖，王濤

（南方醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，廣東 廣州510515）

聽覺誘發(fā)電位（AEP）是研究聽力疾病的重要手段，可用于客觀評價聽覺通路完整性。針對AEP檢測的要求，設(shè)計一種基于USB聲卡的便攜式聽覺誘發(fā)電位檢測系統(tǒng)。利用計算機作為主要工作平臺，控制USB聲卡同步完成聲音刺激發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集，配合Visual C#平臺所編寫的上位機程序完成 AEP數(shù)據(jù)的處理分析、結(jié)果顯示及數(shù)據(jù)管理。聽性腦干反應（ABR）是AEP成分中幅度最弱而采集帶寬要求最高的，因此ABR是AEP成分中最難檢測的。通過本系統(tǒng)完成一個ABR檢測，并與目前市場上頂級AEP電位儀的檢測結(jié)果進行對比，結(jié)果證明了本系統(tǒng)性能的可靠性及穩(wěn)定性。

聲卡；聽覺誘發(fā)電位；AEP數(shù)據(jù)采集；聽覺通路

0　引言

聽覺誘發(fā)電位(Auditory Evoked Potential，AEP)是聽覺系統(tǒng)收到特定的聲音后，中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的與外界刺激相關(guān)的生物電變化[1]，按潛伏期分為聽性腦干反應(Auditory Brainstem Response，ABR)、中潛伏期反應(Middle Latency Response，MLR)和晚潛伏期反應(Late Latency Response，LLR)。聽覺誘發(fā)電位是研究聽覺疾病的重要手段，在臨床有廣泛應用，采用常規(guī)刺激率誘發(fā)的聽性腦干反應可用于聽力篩查、聽閾評估、聽神經(jīng)和腦干病變及神經(jīng)性耳聾診斷等方面[2]。目前，AEP的臨床應用還處于研究階段，有些新的AEP檢測和分析方法對常規(guī)設(shè)備的刺激方案和數(shù)據(jù)提取處理算法提出了更高和更多的要求[2-3]，因此，方便可靠的檢測設(shè)備是必須的。傳統(tǒng)聽覺誘發(fā)電位儀，采用封閉式設(shè)計的專門電路，價格昂貴且體積龐大、新技術(shù)應用落后。目前高性能的計算機聲卡是一種聲學指標優(yōu)異的模擬輸入輸出接口，其各項指標完全可以滿足AEP檢測中刺激聲音的輸出功能。而聲卡的輸入端口的帶寬可達 240 MHz，滿足常規(guī)AEP的帶寬要求[1]。

利用高性能聲卡的上述特性，本文設(shè)計一種基于USB聲卡的便攜式聽覺誘發(fā)電位檢測系統(tǒng)，以計算機作為主要工作平臺，利用USB多媒體聲卡來完成聲音發(fā)放和數(shù)據(jù)采集的功能，同時利用多余的輸入輸出通道實現(xiàn)刺激和采集同步信息的獲??；并配合輸入端口的技術(shù)指標，設(shè)計了一個信號預處理模塊實現(xiàn)和腦電電極的阻抗匹配和模擬放大。上位機程序設(shè)計可實現(xiàn)USB聲卡的控制，完成不同刺激模式下AEP的采集。本系統(tǒng)具有操作方便、刺激模式靈活、便攜性、低功耗及低成本的優(yōu)點。

1　系統(tǒng)設(shè)計

本檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由USB聲卡、預處理電路、耳機和電極、電源電路及便攜式計算機等部分構(gòu)成。本系統(tǒng)以便攜式計算機作為主要工作平臺，以外置USB聲卡作為數(shù)據(jù)采集工具；以耳機及電極作為傳感器，通過Windows操作系統(tǒng)下編程實現(xiàn)對USB聲卡的控制，實現(xiàn)同步的刺激聲發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集，配合上位機程序完成AEP的處理分析、結(jié)果顯示及數(shù)據(jù)管理。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件平臺設(shè)計

2.1USB聲卡

本系統(tǒng)采用創(chuàng)新 Sound Blaster的 USB多媒體聲卡替代傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡的功能，實現(xiàn)信號的D/A及A/D轉(zhuǎn)換，充分提高便攜性。本聲卡具有24 bit高采樣精度、96 kHz高采樣率及高共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）等特點，利用聲卡 LineOut端口完成對音頻數(shù)字信號的D/A轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)刺激聲發(fā)放；利用聲卡LineIn端口完成對AEP信號的A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)采集。聲卡具有體積小巧、低功耗、噪聲低、可移植性強等性能。此外，該聲卡基于USB傳輸協(xié)議與便攜式計算機進行數(shù)據(jù)通信，全雙工工作方式滿足了實際AEP檢測中刺激聲發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集同步進行要求。

聽覺誘發(fā)電位是幅度為μV級的微弱信號，而幅度一般為幾十至幾百mV的背景噪聲干擾遠比AEP要大，AEP則易被這些噪聲所淹沒[4]，因此需要用鎖相疊加平均算法處理AEP，提高其信噪比并提取出有效的AEP成分。因為AEP在聲音刺激后的固定時間內(nèi)，具有鎖相保持和極性不變的特性，噪聲干擾信號則無此特性[5]。因此，AEP檢測要求刺激聲發(fā)放和信號采集的同步進行，并記錄同步標記位，即刺激聲的起始位置，用于信號鎖相分段的疊加平均算法。如圖2所示，本聲卡具有雙LineIn和LineOut端口的特點，利用高性能屏蔽線把USB聲卡的LineOut1和LineIn2連接，通過回采的形式把所發(fā)放的刺激聲記錄下來，作為同步標記信號，用于疊加平均算法時AEP數(shù)據(jù)的鎖相分段。

圖2　同步標記原理圖

2.2預處理電路

為了更好地提取出聽覺誘發(fā)電位信號，從電極引出的AEP先經(jīng)過預處理電路調(diào)理后，再傳入USB聲卡的LineIn1端口中，進行A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，完成 AEP的數(shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)的預處理電路如圖3所示，由初級放大部分、右腿驅(qū)動部分、帶通濾波部分及后級放大部分構(gòu)成。預處理電路提供高輸入阻抗和高共模抑制比，實現(xiàn)了 32 500倍的放大、100 Hz～3 500 Hz的帶通濾波，從而提高AEP的信噪比。

圖3　預處理電路圖

(1)初級放大部分

鑒于AEP強度十分微弱，常淹沒在強共模噪聲干擾中，因此初級放大電路需要有高輸入阻抗、高CMRR及低噪聲的性能。本部分采用TI的低功耗儀表放大器INA129作為初級放大主芯片A1，其具有10 GΩ高輸入阻抗，130 dB高共模抑制比及 8 nV/低噪聲等優(yōu)點，有利于消除共模干擾。如圖3左上部分所示，INA129差分輸入的正負端分別作為記錄電極ACT和參考電極REF的輸入通道，腦電信號首先經(jīng)過鉗位保護電路和低通濾波電路，保護電路利用二極管單向?qū)ㄌ匦裕瑢崿F(xiàn)限幅效果，防止過高的輸入電壓。低通濾波電路用于實現(xiàn)信號采集的抗混疊，并消除電路的高頻噪聲。經(jīng)過限幅和濾波處理的信號就送至 INA129進行差分放大，根據(jù)芯片增益公式G=1+49.4 kΩ/RG，RG為 2個1 kΩ高精度電阻串聯(lián)組成，初級放大增益約為26倍。

(2)右腿驅(qū)動部分

在強背景噪聲干擾下，微弱AEP極難被提取出來，此時需要電生理信號采集常用右腿驅(qū)動技術(shù)。右腿驅(qū)動技術(shù)可以減弱人體的共模信號，提高系統(tǒng)的共模抑制比，從而提高AEP的信噪比。如圖3左下部分所示，利用2個高精度2 kΩ電阻組成的平均網(wǎng)絡(luò)把記錄電極和參考電極上的共模電壓檢出，疊加后經(jīng)過由運放OPA227組成的反向跟隨器A2和GND電極反饋到人體頭部，跟人體中原來的共模電壓相抵消，形成共模電壓負反饋電路，從而減少記錄電極及參考電極上共模信號的輸入[6]，提高系統(tǒng)的共模抑制比和利于提取AEP成分。

(3)帶通濾波部分

經(jīng)過初級放大后，腦電信號除了含有AEP外，還包括有低頻人體運動噪聲、工頻噪聲及高頻電路噪聲，因此需要采用濾波抑制這些噪聲成分。根據(jù)AEP有效成分頻帶為100 Hz～3 500 Hz[1]，本部分采用一塊雙運放芯片OPA2227(3 nV/噪聲，130 dB CMRR)構(gòu)建二階Sallen-Key帶通濾波。通過設(shè)置運放OPA2227外圍電阻電容值(如圖3中間所示)，使帶通濾波范圍約為100 Hz～3 500 Hz，有效地濾除噪聲。

(4)后級放大部分

后級放大部分采用一塊 OPA2227芯片構(gòu)成兩級放大，放大倍數(shù)分別為25倍和50倍。結(jié)合初級部分的26倍增益，讓預處理電路的增益約為 32 500倍，幅度為微伏級的AEP經(jīng)過預處理電路放大后變?yōu)榉丶壓筝斎肼暱?LineIn1端口。調(diào)理后的腦電信號達到聲卡 LineIn輸入端口的技術(shù)指標，讓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后AEP的數(shù)字量可進行更優(yōu)的數(shù)字信號處理。

2.3筆記本計算機

筆記本計算機是整個AEP檢測系統(tǒng)的控制終端，通過運行內(nèi)設(shè)的上位機程序，可實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。上位機程序以 Visual C#平臺編寫，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各個部分的工作，包括 USB聲卡通信、刺激聲發(fā)放及 AEP數(shù)據(jù)采集、信號處理分析及結(jié)果顯示、相關(guān)的數(shù)據(jù)管理等功能。

2.4電源電路

本系統(tǒng)采用浮置電源形式設(shè)計供電電源，直接采用便攜式計算機USB接口供電。計算機USB接口提供5 V、500 mA電能輸出，滿足預處理電路的功耗≤1 W的低功耗要求。利用DC-DC升壓電源電路將USB接口+5 V轉(zhuǎn)換成預處理電路所需的±9 V電壓，避免了使用電池供電時間短、電壓轉(zhuǎn)換電路龐大等問題，并可減少整個系統(tǒng)中工頻噪聲干擾，從而提高系統(tǒng)的共模抑制比。

3　軟件平臺設(shè)計

為了增加系統(tǒng)軟件的可移植性和可靠性，本系統(tǒng)軟件選用 Window 7操作系統(tǒng)和 Visual C#作為編程開發(fā)平臺，采用多線程控制技術(shù)實現(xiàn)對USB聲卡的控制，達到AEP檢測分析及結(jié)果顯示的效果。從功能上看：系統(tǒng)軟件分為檔案建立、聲音刺激產(chǎn)生、AEP數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理及界面顯示6個部分。上位機界面圖如圖4所示，主要包含聲卡通信模塊、信號檢測模塊及數(shù)據(jù)管理模塊。

3.1聲卡通信模塊

聲卡通信模塊，負責完成上位機與聲卡間通信。利用微軟公司提供的 Windows Media Player和 DirectSound多媒體組件，結(jié)合USB全雙工工作模式，實現(xiàn)同步刺激聲發(fā)放和腦電信號信號采集。

3.2信號檢測模塊

信號檢測模塊，其中含有ABR檢測模塊、MLR檢測模塊和LLR檢測模塊。三個模塊能完成不同刺激模式設(shè)置，包括聲強、刺激聲頻率、數(shù)字濾波范圍、偽跡上限、刺激次數(shù)等參數(shù)，并能進行疊加平均算法，實現(xiàn)AEP成分提取和AEP的檢測結(jié)果顯示。

3.3數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)管理模塊負責建立受試者信息檔案，可保存受試者信息、刺激模式、原始聽覺誘發(fā)電位信號數(shù)據(jù)和檢測結(jié)果，并可實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的打印。

圖4　上位機界面圖

圖5　同一人的兩次ABR檢測結(jié)果

4　ABR檢測實驗

對本檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果進行了準確性、穩(wěn)定可重復性及相關(guān)性的驗證。ABR作為AEP中最弱成分，幅度約為0.5～1μV，并且其采樣率是AEP檢測中要求最高的，因此ABR是AEP中較難檢測的成分[1]。本文設(shè)計了一個常規(guī)ABR檢測實驗，在本系統(tǒng)下對同一受試者重復進行兩次常規(guī)ABR記錄。本ABR檢測中使用長度為51.2 ms的Click刺激聲，采樣率為 20 kHz及刺激次數(shù)為1 200，另外，電極安置及實驗操作等要求均按照常規(guī)ABR檢測實驗的要求[1]。ABR是發(fā)生在刺激開始后 10 ms潛伏期內(nèi)的反應，包括 3-7個反應波，依次標記為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ波，其中，Ⅰ、Ⅲ及Ⅴ波出現(xiàn)率較高[7]。上位機保存的ABR原始數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB 2013b軟件重新畫圖，圖5為兩次記錄的ABR波形。由圖5可看出，兩次ABR的結(jié)果相似性非常好，并成功引出Ⅰ、Ⅲ及Ⅴ波，這證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。表1為同一受試者在美國NeuroScan公司的SynAmps2儀器和本系統(tǒng)記錄 ABR的結(jié)果對比。受試者用本檢測系統(tǒng)測得的結(jié)果和 SynAmps2

儀器得到的結(jié)果非常一致，而且這一正常受試者的數(shù)據(jù)與臨床所給出的正常人的數(shù)據(jù)完全吻合[8]。因此證明了本系統(tǒng)的準確性及穩(wěn)定可重復性。

表1　同一受試者的ABR臨床測試和檢測系統(tǒng)潛伏期對比

5　結(jié)論

本文所提出的基于USB多媒體聲卡的便攜式聽覺誘發(fā)電位檢測系統(tǒng)，在基于Windows 7操作系統(tǒng)和Visual C#軟件平臺上，編程控制 USB聲卡同步完成刺激聲發(fā)放和AEP數(shù)據(jù)采集的同步進行，實現(xiàn)AEP的可靠性檢測。經(jīng)ABR檢測結(jié)果證明，本系統(tǒng)不但滿足AEP信號檢測的要求，并且具有便攜性高、低功耗、低成本、低噪聲及抗干擾強的特點，為促進AEP臨床上基礎(chǔ)科研提供一種操作方便、刺激模式靈活、可靠的便攜式多功能檢測途徑。

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Design of a portable AEP detecting system based on USB soundcard

He Chaowen，Zhang Zhizhong，Lin Lin，Wang Tao
（School of Biomedical Engineering，Southern Medical University，Guangzhou 510515，China）

The auditory evoked potential(AEP)provides an objective assessment to the integrity of acoustic nervous system,which an important approach to the research of hearing functions and acoustic diseases.In this paper,we introduced a new design of portable AEP detecting system based on personal computer(PC)with a USB soundcard specifically selected for the AEP recording requirement.APC program developed by Visual C#platform were used as the main controller of the system to regulate USB soundcard for stimulus delivery and AEP data acquisition synchronously.An example of the weakest and fastest AEP component—brainstem response(ABR)— was acquired by this system,and compared with a state-of-art system to valid their equivalent performance.

soundcard；auditory evoked potential；AEP data acquisition；auditory system

TH77

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.015

國家自然科學基金（61172033）；廣東省科技計劃項目（2013B051000054）

2015-10-15)

何超文（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：生物醫(yī)學工程與儀器。

王濤（1967-），男，博士，教授，主要研究方向：生物醫(yī)學工程與儀器、生物電信號分析。

中文引用格式：何超文，張志忠，林霖，等.基于 USB聲卡的便攜式 AEP檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應用，2016，42(1)：58-60，64.

英文引用格式：He Chaowen，Zhang Zhizhong，Lin Lin，et al.Design of a portable AEP detecting system based on USB soundcard[J]. Application of Electronic Technique，2016，42(1)：58-60，64.