噪聲習(xí)服及聽力損傷快速檢測儀的研制

季家紅,余文斌,郭軍濤

1.空軍總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科,北京 100142;2.空軍航空醫(yī)學(xué)研究所,北京 100142

噪聲習(xí)服及聽力損傷快速檢測儀的研制

季家紅1,余文斌2,郭軍濤1

1.空軍總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科,北京 100142;2.空軍航空醫(yī)學(xué)研究所,北京 100142

目的研制一臺(tái)集快速聽力損傷檢測及噪聲習(xí)服功能于一體的便攜裝備,以預(yù)防強(qiáng)噪聲給外場人員和飛行人員帶來的聽力損傷.方法采用基于ARM920T內(nèi)核的Mini2440為主控核心,采用UCOS嵌入式最小操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度,通過ADS軟件來編寫開發(fā)板程序,產(chǎn)生噪聲習(xí)服信號(hào)和測試信號(hào),并自動(dòng)完成聽力損傷自動(dòng)檢測.結(jié)果儀器能夠按照GBZ49-2014《職業(yè)性噪聲聾的診斷》要求輸出穩(wěn)定頻率和強(qiáng)度的音頻信號(hào),實(shí)現(xiàn)聽力損傷自動(dòng)篩查以及特定背景的噪聲習(xí)服功能.結(jié)論該檢測儀能夠按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)聽力損傷自動(dòng)篩查和噪聲習(xí)服的功能,整機(jī)具有穩(wěn)定性好,擴(kuò)展性強(qiáng)、界面友好等特點(diǎn).

噪聲習(xí)服;噪聲預(yù)暴露;聽力損傷;嵌入式系統(tǒng);聽力計(jì)

引言

噪聲引起的聽力損傷是人們聽覺長期遭受噪聲強(qiáng)烈影響而緩慢發(fā)生的一種進(jìn)行性的感音神經(jīng)性的耳聾[1],一直位居各種職業(yè)疾病的榜首,患病率也僅次于老年性耳聾[2].噪聲對人體各種機(jī)能的不利影響[3-4]、尤其是對人的聽力的損害是公認(rèn)和嚴(yán)重的.隨著我軍戰(zhàn)機(jī)性能的提高,噪聲強(qiáng)度也大大增加.外場人員與飛行人員的工作環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了85 dB的噪聲接觸限值,極易導(dǎo)致聽力損傷[5-6].

強(qiáng)噪聲暴露下的聽力損傷,主要表現(xiàn)在永久聽閾偏移、毛細(xì)胞損失以及脂質(zhì)過氧化物產(chǎn)物發(fā)生變化(濃度降低)等[7-8].國內(nèi)外大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明:對動(dòng)物進(jìn)行低頻聲預(yù)暴露,可以大大減輕隨后同一頻段的強(qiáng)噪聲對聽器損傷的程度,還對稍高頻率的中頻強(qiáng)噪聲也有保護(hù)作用,且這種保護(hù)作用可以持續(xù)相當(dāng)長的一段時(shí)間[9-11].這被稱之為quot;噪聲習(xí)服quot;或quot;聲預(yù)處理quot;.噪聲習(xí)服是指機(jī)體噪聲適應(yīng)訓(xùn)練,目的是在機(jī)體本身不產(chǎn)生永久性聽閾偏移的基礎(chǔ)上,給予一定的刺激,使聽毛細(xì)胞對于其后聲刺激的保護(hù)性反應(yīng)增強(qiáng),以獲得對隨后高強(qiáng)度噪聲更大的耐受力,從而起到聽力保護(hù)的作用[11-12].

本課題研制的噪聲習(xí)服與聽力損傷快速檢測儀,依據(jù)最新國標(biāo)GBZ49-2014《職業(yè)性噪聲聾的診斷》進(jìn)行聽力損傷檢查[13],機(jī)內(nèi)預(yù)存包括粉紅噪聲、中心頻率可調(diào)的1/3倍頻程濾波信號(hào)以及不少于10個(gè)不同噪聲環(huán)境的預(yù)暴露信號(hào)實(shí)行噪聲習(xí)服,達(dá)到減少噪聲引起聽力損傷的作用.

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

國標(biāo)GBZ49-2014《職業(yè)性噪聲聾的診斷》規(guī)定了職業(yè)性噪聲聾的診斷原則、診斷分級(jí)及處理原則.

聽力損傷分級(jí)需要產(chǎn)生高穩(wěn)定度500、1000、2000、3000、4000以及6000 Hz的純音信號(hào),輸出的聲音幅度在25、45、65 dB切換,受試者所有頻率聽閾均lt;25 dB為正常聽力,gt;25 dB即有聽力損傷,聽力損傷分級(jí)表,見表1.

表1 聽力損傷分級(jí)表

其分級(jí)規(guī)則如下:

Ⅰ級(jí):語頻lt;25 dB,25 dBlt;高頻lt;45 dB.

Ⅲ級(jí):語頻lt;25 dB,高頻gt;65 dB或者25 dBlt;語頻lt;45 dB,45 dBlt;高頻lt;65 dB.

Ⅳ級(jí):25 dBlt;語頻lt;45 dB,高頻gt;65 dB.

Ⅴ級(jí):語頻gt;45 dB,高頻gt;45 dB.

聽力損傷程度評(píng)定(適合30歲以下人員),見表2.

表2 聽力損傷程度評(píng)定

其中,單耳平均聽閾 (dB)= (HL500 Hz+HL1000 Hz+HL2000 Hz)/3.其中HL為聽力級(jí),單位為dB.

雙耳平均聽閾 (dB)= (較好耳平均聽閾X4+較差耳平均聽閾X1)/5.

1.2 儀器構(gòu)成

本儀器主要包括3個(gè)部分:聽力損傷檢查、聽力損傷預(yù)防、聽力保護(hù)知識(shí).

研究區(qū)內(nèi)基性超基性雜巖體[(262.5±2.5)Ma]主要出露于加當(dāng)一帶[4]，露頭大小在20 m×60 m左右，最大者出露最寬100 m左右?；鶐r露頭在平面上呈不規(guī)則環(huán)狀展布的特點(diǎn)，且輝長巖分布在內(nèi)環(huán)閃長巖分布在中心，在平面上從外環(huán)—內(nèi)環(huán)—中心有超基性巖—基性巖—中性巖的分布規(guī)律，因此在三維空間上可能為巖盆狀，具有同源巖漿分異的特征。與圍巖接觸界線明顯，但未見明顯的構(gòu)造接觸關(guān)系，也未見明顯的熱接觸變質(zhì)作用現(xiàn)象。與夏日哈巖漿熔離型鎳礦床一致。是昆北巖漿弧帶相似類比夏日哈木巖漿熔離型硫化物礦床找礦的理想地區(qū)。

(1)聽力損傷檢查.依據(jù)國標(biāo)GBZ49-2014《職業(yè)性噪聲聾的診斷》進(jìn)行檢查,采用ARM9為主控系統(tǒng),產(chǎn)生頻率可調(diào)、音量可調(diào)的純音信號(hào);聽力損傷分級(jí)和聽力損傷程度評(píng)定模式則由微控制器ARM9完成,主要實(shí)現(xiàn)不同模式下的測試方式切換,并顯示測試、評(píng)定的結(jié)果.

(2)聽力損傷預(yù)防.同樣采用ARM9為控制系統(tǒng),控制音頻解碼模塊,播放U盤中預(yù)存的,不少于10個(gè)不同噪聲環(huán)境的預(yù)暴露信號(hào),播放時(shí)間在1～120 min可調(diào),強(qiáng)度最高達(dá)到90 dB.

(3)聽力保護(hù)知識(shí).預(yù)防聽力損傷需要參與者有主動(dòng)意識(shí).本機(jī)利用大屏優(yōu)勢,預(yù)存聽力保護(hù)專業(yè)知識(shí),以達(dá)引導(dǎo)鼓勵(lì)之用.

1.3 方案設(shè)計(jì)

聽力損傷檢查系統(tǒng)框圖,見圖1.聽力損傷檢查主要包括ARM9主控、音頻播放模塊;其中顯示部分采用LCD液晶屏顯示純音頻率音量,切換聽力損傷分級(jí)和聽力損傷程度評(píng)定模式等.

圖1 聽力損傷檢查系統(tǒng)框圖

聽力損傷防護(hù)系統(tǒng),見圖2.該系統(tǒng)主要包括ARM9主控、顯示、按鍵、噪聲存儲(chǔ)、音頻解碼、播放等幾個(gè)模塊.其中ARM9主控主要用于控制存儲(chǔ)部分,提取相應(yīng)的噪聲音頻文件,通過按鍵控制模擬不同環(huán)境噪聲的循環(huán)播放,音量0～90 dB可調(diào),主控部分將提取的音頻文件傳輸給音頻解碼模塊,經(jīng)解碼后通過播放模塊播放.

圖2 聽力損傷防護(hù)系統(tǒng)框圖

聽力保護(hù)知識(shí)編輯程序,采用ARM9實(shí)現(xiàn)文本閱讀,通過LCD屏顯示預(yù)存的聽力保護(hù)知識(shí)文本信息,經(jīng)過按鈕的選擇實(shí)現(xiàn)對聽力保護(hù)知識(shí)的顯示,顯示本機(jī)使用說明及相關(guān)噪聲基本防護(hù)知識(shí).

1.4 方案實(shí)現(xiàn)

聽力損傷分級(jí)需要產(chǎn)生6個(gè)高穩(wěn)定度純音信號(hào):500、1000、2000、3000、4000、6000 Hz,經(jīng)隔離式耳機(jī)輸出,聲音幅度在25、45、65 dB切換,以3 s信號(hào),3 s間歇的方式發(fā)送,聽到時(shí)按確認(rèn)鍵.最后依照國標(biāo)要求自動(dòng)給出聽力損傷等級(jí).左右耳能單獨(dú)測試.

系統(tǒng)采用Friendly ARM Mini2440 SBC開發(fā)板作為主控核心,Mini2440開發(fā)板,見圖3.

圖3 Mini2440開發(fā)板

其微處理器是基于ARM9內(nèi)核的三星32位芯片S3C2440.其內(nèi)存控制器提供對外接內(nèi)存的控制指令.系統(tǒng)由微處理單元、電源單元、UDA1341TS音頻電路和LCD顯示等接口電路等組成[14].

音頻模塊采用串口控制語音播放模塊,Mini2440開發(fā)板音頻部分電路圖,見圖4.純音信號(hào)主要由Mini2440開發(fā)板內(nèi)部音頻部分產(chǎn)生,主要用于產(chǎn)生聽力檢測需要的純音信號(hào).音頻播放模塊完成實(shí)現(xiàn)至少10種不同噪聲環(huán)境的存儲(chǔ),具體實(shí)現(xiàn)采用Mini2440控制、優(yōu)盤存儲(chǔ)、音頻解碼和音量控制來實(shí)現(xiàn).

電源模塊包括升壓模塊和充電模塊,主要提供實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的供電,其電路圖,見圖5.另外配備一塊兩萬毫安數(shù)字移動(dòng)電源,便于長時(shí)間脫離主電源工作.屏幕采用群創(chuàng)7寸真彩觸摸屏,電路板采用Altium Desiger09硬件開發(fā)工具繪制.

系統(tǒng)程序通過ADS(Advanced Design System)軟件來編寫開發(fā),開發(fā)板運(yùn)行UCOS嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)調(diào)度.程序任務(wù)主要由5部分組成,包括主任務(wù)main、屏幕任務(wù)、純音信號(hào)發(fā)生任務(wù)、音頻模塊串口控制任務(wù)、聽力檢測與評(píng)定算法任務(wù)等.其中主任務(wù)負(fù)責(zé)其他任務(wù)的調(diào)度,屏幕任務(wù)負(fù)責(zé)觸摸屏顯示部分.通過ADS軟件生成bin文件,bin可以燒寫到Mini2440中執(zhí)行.程序燒錄通過mini Tools工具完成.

2 結(jié)果與討論

本課題設(shè)計(jì)的噪聲習(xí)服與聽力損傷檢測儀定位于聽力損傷的初步篩查與聽力損傷防護(hù).采用高性能的隔離式耳機(jī)能基本隔離環(huán)境噪聲.使用場所要求簡單,只要無雜音的封閉室內(nèi)、周圍無正常聽力可聽見的物體移動(dòng)、環(huán)境噪聲低于35 dB即可,這是本儀器有別于專業(yè)診斷用聽力計(jì)的地方.

圖4 Mini2440開發(fā)板音頻部分

圖5 電池充電電路

本儀器另一個(gè)特點(diǎn)是具有噪聲習(xí)服功能,即噪聲預(yù)暴露功能.用于預(yù)暴露的噪聲信號(hào)有3種,第一種是粉紅噪聲信號(hào);第二種是粉紅噪聲經(jīng)過中心頻率分別為500、1000、2000和4000 Hz的1/3倍頻程濾波器產(chǎn)生的信號(hào);第三種是各種具體場景信號(hào).采用提前錄制的方法儲(chǔ)存為音頻文件,根據(jù)需要進(jìn)行播放,播放強(qiáng)度30～90 dB可調(diào).特別是前兩種信號(hào),除了作為預(yù)暴露信號(hào)外,也為日常聲學(xué)研究提供了極大的便利.

本儀器的不足之處是聲壓級(jí)的校準(zhǔn).儀器是通過隔離式耳機(jī)輸出的,因此由于耳機(jī)之間存在差異,每次更換耳機(jī)均需要聲壓級(jí)重新校準(zhǔn).為此儀器設(shè)置了聲壓級(jí)校準(zhǔn)功能.校準(zhǔn)時(shí)以純音頻率為主,每頻率設(shè)置了3個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),分別是25、45和65 dB,但由于各音頻輸出的聲壓級(jí)與電路增益之間并非完全的線性關(guān)系,因此在聽力損傷程度確定方面存在誤差.如何通過編制程序進(jìn)行誤差補(bǔ)償是儀器今后需要改進(jìn)的地方.這也是本儀器定位于聽力損傷初步篩查的因素之一.

早期國內(nèi)大多數(shù)純音聽力篩查儀器都是采用模擬技術(shù),通過機(jī)械調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)而成,后來又升級(jí)為以單片機(jī)控制芯片為核心模塊[15],前期我們也曾基于ARM7架構(gòu)的LPC為主控芯片設(shè)計(jì)了一款聽力損傷快速篩查儀[16-17].與之前這些方法相比,本儀器功能絕大部分通過軟件設(shè)計(jì)和編制程序得以實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)功能更強(qiáng)大、穩(wěn)定性更高,功能再拓展也更為方便.輸出音頻的聲壓級(jí)通過了解放軍聲學(xué)研究所的檢測,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,儀器目前仍在試用當(dāng)中.

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本文編輯 王婷

Development of Quick Detector for Hearing Loss and Sound Conditioning

JI Jiahong1, YU Wenbin2, GUO Juntao1
1.Department of Medical Engineering, General Hospital of Air Force, Beijing 100142, China;2.Institute of Aviation Medicine of Air Force, Beijing 100142, China

ObjectiveTo develop a portable and quick detector for noise-induced hearing loss and sound conditioning which is suitable for airman and ground crew.MethodsIn the present research, the Mini2440 with ARM920T core was used as a main control board, and the UCOS minimum embedded system was used as multitask scheduler. Meanwhile, by using ADS software, the detector could write the development board program, generate the noise acquisition signal and test signal, and automatically complete the automatic hearing damage detection.ResultsThe system could produce audio signals of stable frequency and intensity according to Diagnosis of occupational noise-induced deafness (GBZ49-2014), and realize automatic screening of hearing damage and the function of noise acquisition in a certain background.ConclusionThe detector works well and has the characteristics of good stability, strong expansibility and friendly interface.

sound conditioning; noise preconditioning; hearing loss; embedded system; audiometer

R764

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.10.008

1674-1633(2017)10-0030-03

2017-01-25

2017-02-19

作者郵箱:jjh8767@sina.com