CN100401981C - 手持便携式耳声发射筛查仪 - Google Patents

Abstract

一种手持便携式耳声发射筛查仪，属于医用器械技术领域。本发明由播放刺激声的微型扬声器、耳声发射信号提取的微型麦克风和用来记录探头的信息和通过密钥管理来保护产品的产权的电子标签构成的微型探头；由微型扬声器音量调节电路、信号滤波处理电路、信号分级放大电路构成的模拟处理部分；由对提取的耳声发射信号进行采样的数字/模拟转换电路，产生刺激声和控制管理菜单的高速数字处理芯片、耳声数据存储、程序存储和液晶显示存储器、液晶与背光控制器、RS232异步扩展串口、USB接口、JTAG接口等对外输入/输出和连接接口构成的数字处理部分；以及显示输出用液晶显示屏和输入信息用的键盘。本发明使用方便，体积小巧，便于携带。

Description

手持便携式耳声发射筛查仪

技术领域

本发明涉及一种医用器械技术领域的仪器，具体的说，涉及的是一种手持便携式耳声发射筛查仪。

背景技术

耳声发射(Otoacoustic emissions，OAEs)是一种产生于耳蜗，经听骨链及鼓膜传导释放入外耳道的音频能量。1978年，英国学者Kemp使用短声作为瞬态声刺激信号，用耳机/微音器组合探头，首次记录到在人外耳道声场信号中除迅速衰减的刺激信号外，还有一延迟数毫秒才出现，持续十余毫秒以上的音频信号，这就是被普遍认为的由耳蜗主动耗能过程产生的早期Kemp回声，即耳声发射。耳声发射的存在是听觉外周系统功能正常性的有效、稳健的长期指标之一。它可以广泛应用于耳聋患者的耳蜗功能检测，新生儿听力筛查，耳毒性药物副作用的跟踪监测，特殊职业(如飞行员、潜水员、爆破兵等)劳动保护的听力损伤监测等多种领域。

国内耳声发射听力检测仪多是包括对刺激声的播放和耳声发射信号提取的微型探头、对提取到的耳声发射信号进行滤波、放大处理的前置处理单元、对经前置处理后的信号进行处理的计算机系统及控制和处理软件，所涉及到的计算机系统中设置有对前置处理后的模拟信号进行数字化采样，同时产生刺激声的全双工声卡，如图1所示。这类听力检测仪都是借助台式计算机声卡，与台式计算机共同构成整个检测仪，适合医院等大型医疗场所的使用，对于家庭或个人的使用和检测，其便携性不足。

经对现有技术的文献检索发现，英国专利GB205430A记载了一种耳声发射听力检测系统，其构成如图2所示，包括：微型探头(Speaker，Microphone)、信号前置处理单元、信号采集卡、信号处理卡和计算机系统及控制和处理软件等部分。其中，微型探头负责刺激声的播放和耳声发射信号的提取。信号前置处理负责对探头中Microphone提取到的耳声发射信号进行前置处理，包括滤波、放大等环节。信号采集卡负责对前置处理后的模拟信号进行数字化采样，同时产生刺激声。信号处理卡负责对量化后的耳声发射信号进行数字处理，包括滤波、累加、相干平均、相关和频谱分析等。系统软件负责对整个检测过程的控制，同时完成显示、打印和病案管理等功能。该系统的硬件电路比较复杂，软件的功能较少，使用不甚方便、直观。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出一种手持便携式耳声发射筛查仪，使用高速数字信号处理芯片(DSPs)完成刺激声的播放和耳声发射信号的提取与处理，具有实时性高、体积小、功耗低、功能强大等特点，界面采用基于液晶(LCD)的全中文菜单方式，使用更为直观。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：微型探头、模拟处理部分、数字处理部分、显示输出以及输入部分。微型探头、模拟处理部分、显示输出以及输入部分分别与数字处理部分相连接。

所述的微型探头包括微型扬声器、微型麦克风和电子标签三个部分，微型扬声器与模拟处理部分的音量调节电路相连接，微型麦克风与模拟处理部分的放大电路相连接，电子标签与后端的数字处理部分相连接。微型扬声器用来播放产生耳声发射的刺激声，其将电信号转换成声信号；微型麦克风用来提取耳声发射信号，其将声信号转换成电信号；而电子标签是用来存储微型麦克风和扬声器的性能参数、测定参数及校准参数等信息并通过密钥管理来保护产品的产权。

所述的信号模拟处理部分包括微型扬声器音量调节电路、信号滤波处理电路、信号分级放大电路构成。微型扬声器音量调节电路一端与微型扬声器相连，另一端与数字处理部分的数字/模拟转换电路相连接；微型麦克风与第一级放大电路相连，第一级放大电路连接低通滤波电路，之后连接高通滤波电路，其后是第二级放大电路，第二级放大电路与数字处理部分的数字/模拟转换电路部分相连接。微型扬声器音量调节电路是根据探头型号和被测试人的不同调节刺激声的音量大小。信号滤波处理电路中完成对探头提取到的生理信号的接收和处理，这个由传感器转换的生理信号是一个混合信号，不仅有耳声发射信号，而且含有大量的干扰信号。在信号滤波处理电路中，对信号的高频段和低频段分别进行处理，滤除耳声发射信号的特定频率以外的干扰信号，以便对其进行进一步的处理，进入信号分级放大电路后，信号被分别放大到不同的电压值再经过模拟/数字转换，送入数字处理部分进行分析、处理。

所述的信号数字处理部分包括对提取的耳声发射信号进行采样的数字/模拟转换电路，产生刺激声和控制管理菜单的高速数字处理芯片、耳声数据存储、程序存储和液晶显示存储器、液晶与背光控制器、RS232异步扩展串口、USB接口、JTAG接口等对外输入/输出和连接接口以及液晶显示和键盘等组成部分。以数字处理芯片为中心，其连接数字/模拟转换电路、耳声数据存储器、程序存储器、液晶控制器、RS232异步扩展串口、USB接口和JTAG接口，液晶控制器连接液晶显示存储器，通过连接到数字处理芯片的I2C扩口连接液晶背光控制器以及键盘，RS232异步扩展串口连接PC机，液晶控制器和背光控制器的另一端与液晶显示器相连，数字/模拟转换电路与模拟部分的音量调节和放大电路相连。接收模拟处理部分送来的模拟耳声发射信号，经模拟/数字转换电路采样，形成数字信号，由高速数字处理芯片完成数字信号的处理以及将处理结果显示于外接液晶显示器上，并通过键盘控制选择刺激方式、结果查看、数据传输和打印等功能。

所述的显示输出以及输入部分，即显示输出用的LCD显示屏和输入信息用的键盘。

本发明可以通过软件实现对整个仪器的控制，控制部分的显示菜单包括耳声发射测量、查看结果、打印结果、传输或删除结果、基本设置五级主菜单。耳声发射测量菜单还包括瞬态诱发耳声发射(TEOAEs)的测量和畸变产物耳声发射(DPOAEs)的测量两种选择，其中畸变产物耳声发射(DPOAEs)的测量还包括四种测量频率的组合；查看结果菜单可以按患者名字选择查看患者数据，每一屏可显示六个最近的测试结果；打印结果菜单可按患者名字选择示打印所有结果，还是打印某次测量结果；基本设置菜单中包括日期、时间及其格式的设置、显示屏背光的设置、键盘按键音的设置以及开机后默认测量方式的设置(即TEOAEs的测量还是DPOAEs的测量)、仪器的序列号、电子标签信息等版本信息。

本发明使用高速数字信号处理芯片(DSPs)及其相关外围电路，使系统的硬件电路大为简化。本发明采用高速DSPs芯片，取代了传统结构上进行控制与信号处理所需的计算机系统，通过DSPs芯片控制立体音频编解码芯片能够完成已有技术中双工声卡和信号采集卡的所用功能，同时因其高速和实时性，对其的控制更为方便和简化，系统也更具有功能模块化的特性，其外接接口提供了更多的功能扩展。本发明中的模拟处理部分电路，采用集成模拟电子电路芯片完成滤波和放大，同时省去了已有技术中的信号处理卡，其功能完全由数字处理部分的高速信号处理芯片来完成。

本发明的系统控制、处理软件使用更为方便。在功能上，不但有瞬态诱发耳声发射(TEOAEs)和畸变产物耳声发射(DPOAEs)的检测，而且对于畸变产物耳声发射的检测使用两个纯音作为源音进行刺激，同时可以选择两个声音的不同频率的组合进行刺激。

本发明使用简便，携带方便。本发明既继承了原有基于声卡和计算机的耳声发射检测仪的基本功能，同时还因采用功耗低、实时性高的高速数字信号处理芯片，大大缩小了仪器的体积，使其更便于携带和使用。本发明人机界面友好，无论是医生或是家庭使用者都很容易快速掌握其使用方法，同时通过波形和数据两种方法显示结果，可以存储多次测量结果，便于医生对病人情况进行长期的监控和诊断。本发明可建立病案管理数据库，可按病案号、姓名、年龄、职业、日期等方式进行检索，可同时打印输出相关信息，或通过各种接口将仪器上的数据传输保存在计算机或医院的系统数据库中，方便临床医生的诊断、研究。

附图说明

图1为国内已有技术的系统构成框图。

图2为国外已有技术的系统构成框图。

图3为本发明的系统构成框图。

图4为本发明的数字处理部分框图。

图5为本实施例的滤波处理电路原理图。

图6为本实施例的放大器电路原理图。

图7为本实施例的刺激输出音量调节电路原理图。

图8为本实施例的显示菜单框图。

图9为本实施例的耳声发射信号测试的基本流程框图。

具体实施方式

本发明提出一种手持便携式的耳声发射听力筛查仪实施例，由硬件电路及控制菜单管理两大部分组成，结合各个附图详细说明如下：

本实施例的硬件电路总体构成如图3所示，包括一个微型麦克风和两个微型扬声器以及电子标签所构成的微型探头、对采集信号进行滤波和程控放大的模拟处理部分、实现各种信号处理算法的数字处理部分以及显示结果的液晶屏和信息输入用的键盘。微型探头、模拟处理部分、液晶显示屏和键盘分别与数字处理部分相连接。微型探头中，微型扬声器与模拟处理部分的音量调节电路相连接，微型麦克风与模拟处理部分的放大电路相连接，电子标签与后端的数字处理部分相连接；模拟处理部分中，微型扬声器音量调节电路一端与微型扬声器相连，另一端与数字处理部分的数字/模拟转换电路相连接；微型麦克风与第一级放大电路相连，第一级放大电路连接低通滤波电路，之后连接高通滤波电路，其后是第二级放大电路，第二级放大电路与数字处理部分的数字/模拟转换电路部分相连接；数字处理部分中，以数字处理芯片为中心，其连接数字/模拟转换电路、耳声数据存储器、程序存储器、液晶控制器、RS232异步扩展串口、USB接口和JTAG接口，液晶控制器连接液晶显示存储器，通过连接到数字处理芯片的I2C扩口连接液晶背光控制器以及键盘，RS232异步扩展串口连接PC机，液晶控制器和背光控制器的另一端与液晶显示器相连，数字/模拟转换电路与模拟部分的音量调节和放大电路相连。

本实施例的模拟处理部分的滤波处理电路是由600Hz的高通滤波器、6kHz的低通滤波器构成的带通滤波器。其电路原理如图5所示。由于系统要求的通带较宽，本实施例采用两片高精度、低功耗、低噪声的FET输入的2运放AD822分别组成4阶巴特沃思低通滤波器(fc＝6kHz)和高通滤波器(fc＝600Hz)。这是因为，巴特沃思滤波器的相位特性要比同阶数的切比雪夫、反切比雪夫和椭圆函数滤波器都好。

本实施例的模拟处理部分的放大电路是根据耳声信号的特点而选择的，其电路原理如图6所示。本系统的放大电路中，采用低噪声、低畸变仪表用放大器INA163和50Ω的精密可调电位器构成第一级放大，增益可在41dB～66dB间调节；由高精度、低噪声运算放大器OPA2227构成第二级放大电路，增益为40dB。

本实施例的模拟处理部分的刺激输出音量调节电路是由于测试者个体对刺激音的大小存在差异性，且TEOAEs和DPOAEs对刺激音强度的要求也不一样，所以要求对刺激音量的大小能进行控制，根据需要实时调节。其电路原理如图7所示。本系统为手持便携式设备，对尺寸要求比较高，所以采用了TI公司一款的高性能立体声音量控制芯片PGA2311，它可以在DSPs芯片TMS320VC5509A的控制下实现音量控制数字化，具有体积小，成本低、跟踪精度高、技术性能好、配置灵活和操作简单等诸多优点。PGA2311内含两个独立的音频通道，满足系统对TPOAEs(一通道刺激)和DPOAEs(两通道刺激)测试的要求。左右声道的音量可以单独调节，每个声道的音量控制范围为-95.5dB～+31.5dB，每级0.5dB，总控制量为127dB。每个声道之间的跟踪误差和每个声道的绝对设置误差均不超过±0.05dB。

本实施例的数字处理部分以美国TI公司的DSPs芯片TMS320VC5509A为核心，包括数据存储、A/D&D/A转换、液晶显示及通信等，是整个设备的控制和数据处理单元。其实施框图如图4所示。TMS320VC5509A定点数字信号处理器(Digital Signal Processor)是基于TMS320VC55x系列CPU处理器核的一款DSP芯片。本处理器外接20MHz晶振，内部倍频产生系统所需要的144MHz时钟信号。本系统利用TMS320VC 5509A的外部存储器接口，连接了异步存储器SRAM和并行Flash，而且利用异步接口连接了并行液晶显示控制器SED1335，实现处理器对液晶的控制及显示数据的传送。同时，利用TMS320VC5509A的I2C模块，实现了与处理器与扩口芯片MAX7311和音频编解码器TLV320AIC23控制口的连接。

本实施例的系统控制通过软件实现，是用C语言与汇编语言编程的DSP应用程序，其显示菜单包括耳声发射测量、查看结果、打印结果、传输或删除结果、基本设置五级主菜单。耳声发射测量菜单还包括瞬态诱发耳射耳声发射(TEOAEs)的测量和畸变产物耳声发射(DPOAEs)的测量两种选择，其中DPOAEs的测量还包括四种测量频率的组合；查看结果菜单可以按患者名字选择查看患者数据，每一屏可显示六个最近的测试结果；打印结果菜单可按患者名字选择示打印所有结果，还是打印某次测量结果；基本设置菜单中包括日期、时间及其格式的设置、显示屏背光的设置、键盘按键音的设置以及开机后默认测量方式的设置(TEOAEs测量或者DPOAEs测量)、仪器的序列号、电子标签信息等版本信息。其菜单框图如图8所示。

本实施例的耳声发射信号测试基本流程图如图9所示。其基本步骤包括：

1)为新病人建立病案，对于复查病人，则打开原有病案，并建立新记录；

2)选择好需要测试的耳(左或右耳)，连接好耳内探头，并将其放入耳道内可保持耳正常工作的范围内，同时校准测试探头；

3)若探头放置合适，至4)开始测试，若放置不合适，至2)调整探头位置后开始4)的测试；

4)按照瞬态诱发耳生发射、畸变产物耳声发射要求分别设置刺激参数，发出刺激声，根据人为干扰及稳定刺激的要求，开始正式测试；

5)记录耳声发射信号；

6)将耳声发射信号存入相应的数据缓冲区，并进行上已述及的实时信号处理；

7)根据所显示的的信息，若人为干扰率高于20％，稳定刺激未达到80％，则给出“希望再次测量”的提示信息；若认为干扰率低于20％，稳定刺激最少达到80％，则给出“通过”的提示信息；

8)显示检测结果，存储及管理病案；

9)判断是否达到要求的刺激次数或用户是否要求停止测试，若是则至10)；若否则至4)，进行下一次测试；

10)停止测试，进行后处理；

11)测试结束。

本实施例检测时，采用以下基本测量方法的实现：

瞬态诱发耳声发射(TEOAEs)检测：

TEOAEs是以短声(clicks)或短纯音(tone-bursts)诱发的OAEs。由探头中的微型扬声器发出的刺激信号及伪迹约在电脉冲信号结束2～4ms内衰减完毕，约从第5ms秒开始，便可记录到由耳蜗经过中耳发射到外耳道中的OAEs，因此也有人称TEOAEs为“延迟OAEs”。由于TEOAEs与刺激信号及伪迹在时间上基本是分离的(但仍有重叠部分)，因而可用相干平均的方法把TEOAEs提取出来。

TEOAEs的阈值一般低于主观听阈5～10dB，强度多数不超过20dBSPL。低刺激强度时TEOAEs幅度随刺激强度的增加几乎呈现出线性增长，平均增长率为0.3～0.4dB/dB，当刺激强度达40～60dBSPL时，TEOAEs强度不再随刺激强度呈线性增加，而趋于饱和，从而表现出非线性特性。TEOAEs的幅度随刺激强度的增长率是高度依赖于频率的。不同频率的TEOAEs其潜伏期是不一样的，TEOAEs总是高频在先，低频在后。

TEOAEs的频率成分与刺激声的形式有很大关系。耳蜗对频率差别较大的两个纯音构成的复合刺激能进行线性的响应，而当两个频率差别不大时则会产生非线性响应，这就是OAEs的频率特异性，由于短声与短纯音的频率组成不同，由两种刺激声诱发的TEOAEs频率成分也是不同的。

刺激声强度对TEOAEs的波形和幅度也有一定的影响，高刺激强度时可以得到OAEs更宽的频率范围，随着刺激强度的降低，OAEs的能量越来越窄地集中到几个接近SOAEs的频率上。因此，用较高刺激强度可以得到耳蜗更全面的信息，但也相应地增加了刺激伪迹的强度与持续时间。

TEOAEs在健康人耳的检出率有不同的报道，但在适当的刺激下可获得100％的检出率，因而是研究最早且研究最多的一种OAEs。

畸变产物耳声发射(DPOAEs)检测：

DPOAEs是用两个具有一定频率比关系的初始纯音f1与f2同时刺激耳蜗所诱发的OAEs。f1与f2可以是连续的，也可以是具有长延时的纯音脉冲(一般为100ms)，因而DPOAEs与刺激声在时域中是叠加的，但在频域中两者的频率是分离的，可以用窄带滤波器将DPOAEs提取出来。DPOAEs的存在表明了耳蜗的主动机制是一种非线性的过程。

DPOAEs包含多个发射频率，比如(2f1-f2)、(f2-f1)等，其中以(2f1-f2)出现率最稳定，强度最高，目前在临床应用中也仅仅使用这个频率。

DPOAEs幅值一般比刺激强度低60dBSPL，但DPOAEs的幅值受很多因素影响，包括两个刺激声信号的强度、频率、强度差值及频率比等。研究表明，f2/f1的值为1.22～1.25时可得到DPOAEs在中频(1～4kHz)的最大幅值，对于低频的DPOAEs则需要大一些的频率比(f2/f1＝1.26)或相对强一些的刺激。f1的刺激强度比f2的刺激强度高10dB或更多时，DPOAEs的幅值最大。

Claims (8)

1.一种手持便携式耳声发射筛查仪，包括：微型探头、模拟处理部分、数字处理部分、显示输出以及输入部分，其特征在于：微型探头、模拟处理部分、显示输出以及输入部分分别与数字处理部分相连接，其中，微型探头由播放刺激声的微型扬声器、耳声发射信号提取的微型麦克风和用来记录探头的信息和通过密钥管理来保护产品的产权的电子标签构成；模拟处理部分由微型扬声器音量调节电路、信号滤波处理电路、信号分级放大电路构成；数字处理部分由对提取的耳声发射信号进行采样的数字/模拟转换电路，产生刺激声和控制管理菜单的高速数字处理芯片、耳声数据存储、程序存储和液晶显示存储器、液晶与背光控制器、对外输入/输出和连接接口构成。

2.根据权利要求1所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，微型扬声器用来播放产生耳声发射的刺激声，其将电信号转换成声信号；微型麦克风用来提取耳声发射信号，其将声信号转换成电信号；而电子标签是用来存储微型麦克风和扬声器的性能参数、测定参数及校准参数并通过密钥管理来保护产品的产权。

3.根据权利要求1或者2所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，微型探头中，微型扬声器与模拟处理部分的音量调节电路相连接，微型麦克风与模拟处理部分的放大电路相连接，电子标签与后端的数字处理部分相连接。

4.根据权利要求1所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，模拟处理部分中，微型扬声器音量调节电路一端与微型扬声器相连，另一端与数字处理部分的数字/模拟转换电路相连接；微型麦克风与第一级放大电路相连，第一级放大电路连接低通滤波电路，之后连接高通滤波电路，其后是第二级放大电路，第二级放大电路与数字处理部分的数字/模拟转换电路部分相连接。

5.根据权利要求1或者4所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，微型扬声器音量调节电路是根据探头型号和被测试人的不同调节刺激声的音量大小；信号滤波处理电路中完成对探头提取到的生理信号的接收和处理，这个由传感器转换的生理信号是一个混合信号；在信号滤波处理电路中，对信号的高频段和低频段分别进行处理，滤除耳声发射信号的特定频率以外的干扰信号，以便对其进行进一步的处理，进入信号分级放大电路后，信号被分别放大到相应的电压值再经过模拟/数字转换，送入数字处理部分进行分析、处理。

6.根据权利要求1所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，数字处理部分中，以数字处理芯片为中心，其连接数字/模拟转换电路、耳声数据存储器、程序存储器、液晶控制器、RS232异步扩展串口、USB接口和JTAG接口，液晶控制器连接液晶显示存储器，通过连接到数字处理芯片的I2C扩口连接液晶与背光控制器以及键盘，RS232异步扩展串口连接PC机，液晶控制器和背光控制器的另一端与液晶显示器相连，数字/模拟转换电路与模拟部分的音量调节和放大电路相连。

7.根据权利要求1或者6所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，数字处理部分接收模拟处理部分送来的模拟耳声发射信号，经模拟/数字转换电路采样，形成数字信号，由高速数字处理芯片完成数字信号的处理以及将处理结果显示于外接液晶显示器上，并通过键盘控制选择刺激方式、结果查看、数据传输和打印等功能。

8.根据权利要求1所述的手持便携式耳声发射筛查仪，其特征是，系统控制通过软件实现，即用C语言与汇编语言编程的DSP应用程序。

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