CN101732054B - 一种便携式全功能耳声发射检测系统 - Google Patents

Abstract

一种便携式耳声发射检测系统，属于耳声发射信号检测器械领域，其特征在于，含有：便携式PC机、USB声卡、微型扬声器、微型收音器、预处理电路以及电源；其中微型扬声器由两个发声器构成，分别发出能诱发出瞬态诱发耳声发射信号和畸变产物耳声发射信号的刺激声，便携式PC机内设有USB声卡灵敏度校准模块和微型扬声器灵敏度校准模块，所述PC机、USB声卡和微型扬声器构成刺激声播放通路，微型收音器、预处理电路、USB声卡和PC机构成耳声发射信号采集通路。本发明实现了对瞬态耳声发射信号和畸变产物耳声发射信号的综合检测，同时也实现了全功能耳声发射信号检测系统的便携性。

Description

一种便携式全功能耳声发射检测系统

技术领域：

本发明是一种便携式全功能耳声发射检测系统，特别涉及一种基于USB多媒体声卡的便携式耳声发射检测系统，属于医疗器械技术领域。

背景技术：

耳声发射(Otoacoustic Emissions，OAE)是指一种产生于内耳耳蜗，经听骨链及鼓膜，传导释放到外耳道的微弱音频能量，是人耳正常功能的一部分。该现象在1978年由英国学者David Kemp首次发现并将其应用于临床^[2]。耳声发射的发现，证实了耳蜗作为听觉末稍感受器，不仅能被动地将外界声信号转换成生物电信号传入中枢引起听觉，同时存在着主动的释能过程，从而确立了耳蜗是一双向换能器的学说。

目前商用的综合型全功能耳声发射检测系统都是采用国外进口设备，价格较昂贵，单价在15万元人民币左右，而且多采用专用的A/D采集卡，不利于更新换代和便携；而手持式的筛查型耳声发射检测系统仅能给出简单的定性的结果，无法给出综合的定量指标和进一步的诊断结果。

本研究采用具有USB接口的多媒体声卡来完成数据采集功能，同时选择在参数上能满足耳声发射检测要求的USB接口的声卡，保证动态范围大、线性性能好、本底噪声低、互调失真低及通道间干扰小等特点，通过与便携式PC机的结合，达到对耳声发射信号的高性能、综合的检测和便携的要求。

发明内容

本发明目的在于针对目前国际上现有的耳声发射检测方法的不足，设计一种基于USB多媒体声卡的便携式耳声发射检测系统，在基于VC++Studio2005软件平台上，实现对瞬态诱发耳声发射(TEOAE)和畸变耳声发射(DPOAE)信号的检测，并对系统进行了全面的定标校准和测试，实现对TEOAE和DPOAE的全功能的定量检测和分析。

本耳声发射检测系统以笔记本电脑作为工作平台，以外置的USB声卡作为信号采集工具，通过Windows操作系统下的编程实现对USB声卡的控制，从而实现刺激声的发放和对耳声发射信号的采集，并完成数据的信号处理和结果显示。

本发明的特征为：

含有便携式PC机、USB声卡、微型扬声器、微型收音器、预处理电路以及电源，其中：

所述微型扬声器，是一个安置在耳道中的由两个发声器构成的话筒，分别产生两种不同的刺激声，用于诱发耳声发射信号：在瞬态耳声发射TEOAE信号检测时，只有一个发声器工作，发出一种频率的刺激声，在畸变产物耳声发射DPOAE信号检测时，两个发声器同时都处于工作状态，发出两种不同频率的刺激声；

所述微型收音器，位于所述耳道内贴近所述微型扬声器位置，用于接收所述耳声发射信号；

所述USB声卡，设有两个刺激声信号输出端speak out，输出经过D/A转换后形成的两路模拟信号至所述微型扬声器中，微型扬声器发出的刺激声传入外耳道；在外耳道中采集到的耳声发射信号、刺激伪迹及各种噪声信号经过所述预处理电路处理后，输入到USB声卡的line in端口，经过A/D转换后输入所述便携式PC机；

所述预处理电路，用于消除人体低频运动噪声、环境中的工频噪声以及高频的电路噪声，并使信号达到要求的强度，共有两路，各由依次串联的一级放大、滤波和二级放大电路构成，其中，一路的放大倍数为2500倍，另一路放大倍数为200倍，两路的滤波通带均为400Hz-10kHz，所述微型收音器的输出端同时与所述预处理电路两路输入端相连，所述放大倍数为200倍一路信号作为参考信号用于去除刺激伪迹；

所述电源电路为DC-DC升压电路，用于将USB接口提供的+5V电压转换成预处理电路芯片所需的±12V电源；

所述便携式PC机，通过USB接口与声卡连接，实现所述两路刺激声的输出和所述耳声发射信号的输入。

所述便携便携式PC机内设有：

对USB声卡的A/D和D/A进行校准的模块，

供所述USB声卡校准用的以下参数：

D/A灵敏度S的初始值：S＝5.4676mV/ct，

A/D的灵敏度S’的初始值：左通道的S₁’＝12271.4ct/V，右通道的S₂’＝10997.4ct/V，

在校准所述USB声卡的D/A灵敏度时其步骤如下：

设定所述USB声卡的D/A灵敏度S的初始值S₀＝5.4676mV/ct，要求

程序输出的正弦波的有效值为1V，检测测试声卡输出的电压峰峰值Vr，

若Vr不等于2.88V，则将所述USB声卡的D/A灵敏度更正为

重复以上操作，直到输出Vr＝2.88V为止，对另一路声卡的D/A采用同样的校准步骤，即得到两个通道的D/A灵敏度值，

对所述USB声卡的A/D的灵敏度进行校准时其步骤如下：

设定所述USB声卡左通道的A/D的灵敏度S₁’＝12271.4，右通道的A/D的灵敏度S₂’＝10997.4，单位均为ct/V，由信号发生器向声卡Line in端口输入有效值为1V的正弦波，启动程序，获取检测结果，如果程序显示有效值不为1V或峰峰值不为2.88V，记录实际测试有效值为V_r’，调整A/D灵敏度为

对两个通路都重复以上操作，直到程序显示有效值为1V为止。

在所述便携便携式PC机内设有扬声器灵敏度校准模块，对所述微型扬声器通过以下步骤进行校准：

把所述微型收音器和微型扬声器探头内置于一耦合腔中，使得微型收音器测得的声音强度与微型扬声器产生的声音强度相同，

设所述微型扬声器的灵敏度为S_LS，单位为Pa/V，假设要求产生的声压为P₁，则根据S_LS的设定，用于产生该声压的电压大小为P₁/S_LS，微型扬声器实际的灵敏度、设定的微型扬声器的灵敏度和记录测得的声强峰峰值分别为S_{LS_real}，S_{LS_old}，P_x，则三者之间的关系可以由以下方程表示：

$P_x=2\sqrt{2}{P}_1\frac{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{old}}}{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{real}}}$

当设定产生声强为80dB SPL声压级时，即P₁＝200mPa，则上式简化为：

$P_x=\left(565.69\mathrm{mPa}\right)\frac{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{old}}}{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{real}}}$

当观察测得的声信号的强度的有效值不是80dB SPL声压级时，则需要调整S_{LS1_real}，使得：

S_{LS1_real}＝(565.69mPa)S_{LS1_old}/P_x

重复以上步骤，直到测得的P_x有效值为80dB SPL声压级为止，然后校准另一个扬声器，即可完成校准过程。

本研究采用具有USB接口的多媒体声卡来完成数据采集功能，同时选择在参数上能满足耳声发射检测要求的USB接口的声卡，保证动态范围大、线性性能好、本底噪声低、互调失真低及通道间干扰小等特点，通过与便携式PC机的结合，达到对耳声发射信号的高性能、综合的检测和便携的要求。

附图说明

图1为本发明的硬件结构框图

图2为本发明中预处理电路结构框图

图3为本发明中耳声发射检测系统软件功能流程示意图

图4为本发明中耳声发射检测系统信号传递过程

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式进一步描述。

如图1：本便携式耳声发射检测系统主要由声学传感器，USB声卡，预处理电路，电源电路和计算机5个主要部分组成。

系统采用USB多媒体声卡替代数字采集卡的功能，实现对信号的A/D、D/A转换。经过D/A转换后的信号通过声卡的Speaker Out口输出，将刺激声信号送至扬声器，然后传入人耳的外耳道；在外耳道中采集到的声音信号通过声卡的Line in口输入，完成A/D转换功能，送至笔记本电脑。

声学传感器的作用是实现电能与机械能之间的能量转化，它包括两个微型扬声器和一个微型收音器，微型扬声器与微型收音器一起被置于外耳道中。微型扬声器的作用是将声卡D/A通道发出的电信号转换为声音信号，从而完成给耳朵提供刺激声的任务。在进行不同的耳声发射检测任务时，两个微型扬声器的工作状态不同：在进行瞬态耳声发射TEOAE信号检测时，只有一个扬声器工作；在进行畸变产物耳声发射DPOAE信号检测时，两个扬声器同时都处于工作状态，分别产生两种不同频率的刺激声。微型收音器的作用是将在外耳道中采集到的声音信号转变成模拟电信号。由于耳声发射OAE信号的幅度较弱，因此要求收音器的噪声要低、灵敏度要高，而且对模拟电信号进行放大的信噪比要高。

如图2：预处理电路用于消除人体低频运动噪声、环境中的工频噪声以及高频的电路噪声，并使信号达到要求的幅度，共有两路各由依次串联的一级放大、滤波和二级放大电路构成，其中一路的放大倍数为2500倍，另一路放大倍数为200倍，两路的滤波通带均为400Hz-10kHz。所述预处理电路两路输入端分别同时与所述微型收音器的两输出端相连；所述预处理电路的两路输出端与USB声卡的line in端口相连。所述放大倍数为200倍一路信号作为参考信号用于去除刺激伪迹。

在计算机中以Visual C++开发系统软件为平台，协调控制各个部分的工作，包括声卡通讯、实时播放刺激信号和录制回波信号；分析处理原始数据，从中提取OAE信号；显示计算结果及波形、实现相关的数据管理、打印输出等功能。

本设计中系统直接采用电脑USB接口供电。避免使用电池供电引起的电池供电时间短、电压转换电路庞大等问题。电源电路中DC-DC升压电路将USB接口提供的+5V电压转换成预处理电路芯片所需的±12V电源。

图3为系统软件流程框图，本系统软件选用Windows XP操作系统和VisualC++作为编程开发平台，采用多线程控制技术实现对OAE信号的控制、检测和各种算法的实现。功能上，系统软件分为系统校准及声卡通讯；信号检测，包括对TEOAE和DPOAE信号的检测；数据存储；界面显示；检测报告打印五个部分。

声卡通讯采用Windows MME编程实现包括混音器编程、WaveOut编程两大部分。由于声卡通讯是软件实现过程中需要反复用到的部分，因此对声卡通讯部分程序进行封装。并且通过校准界面对声卡的AD/DA灵敏度值进行测试调整，以保证信号检测的准确性。

系统对TEOAE信号检测时采用导出的非线性响应的方法(DNLR)或线性方法，测试结果以参数和图形两种方式同时显示，在测试过程中实时刷新。DPOAE信号用时域相干平均和数字FFT分析来实现。最终测试结果也以参数和图形两种方式显示。

数据存储包括受试者信息和检测结果的存储。受试者信息按病案号、姓名、性别、年龄、病史等组织形式规范的进行存储，并将受试者的检测结果按相应的病案号名称存储，保存TEOAE和DPOAE的详细测试数据。

系统界面分初始化界面、TEOAE检测界面、DPOAE检测界面、校准界面和病案信息输入界面。以图形对话方式显示测试结果、控制测试进程，检测界面能够实时地刷新检测结果，使系统能够为使用者提供直接明了的便捷操作。

图4为在耳声发射检测系统中，发出刺激声的过程：刺激声的大小首先由计算机通过程序给出，这是一个数字量，如图4(a)，经声卡的D/A转换成为电信号激励放置在外耳道中的微型扬声器发出声音，声音从外耳道经过鼓膜传入耳蜗，从而诱发出耳声发射信号，反向传入外耳道。接收声音信号的过程如图4(b)所示，刺激声和OAE信号由放置在外耳道中的微型MIC将声信号转换为电信号，此电信号经过预处理电路的放大滤波处理后，传递到声卡的Line in口，经声卡的A/D转换成为数字信号，送入计算机进行处理分析。

在系统校准时，包括分别对声卡的A/D、D/A的灵敏度校准，传感器的扬声器和微型收音器的校准，以及预处理电路的幅频特性的测试，这样就完成了对整个系统的硬件参数的校准。声卡灵敏度主要是指进行A/D转换时，线性输入信号电压与采样量化得到的数字信号之间的转换关系，及D/A转换时，设定的数字信号与扬声器输出电平之间的转换关系。对声卡进行校准时，首先进行声卡D/A的校准。声卡D/A的校准主要是建立输出数字量与输出电压值之间的关系。校准时，设定D/A灵敏度S为初始值，(通常默认S＝5.4676，单位是mV/ct)。如果要求程序输出有效值为1V的正弦波，测试声卡输出的电压峰峰值记为Vr，若Vr不等于2.88V，则将D/A灵敏度更正为2.88×S/Vr。重复以上操作，直到输出Vr＝2.88V为止。对另一路声卡的D/A采用同样的校准步骤，即得到两个通道的D/A灵敏度值。对声卡D/A的灵敏度校准完成后，再对声卡A/D的灵敏度进行校准。首先，设置A/D的灵敏度S’为初始值(通常左通道的S’为12271.4，右通道的S’为10997.4，单位均为ct/V)。由信号发生器向声卡Line in口输入有效值为1V的正弦波，启动程序，获取检测结果，如果程序显示有效值不为1V或峰峰值不为2.88V，记录实际测试有效值为Vr’，调整A/D灵敏度为S’/Vr’。对两个通路都重复以上操作，直到程序显示有效值为1V为止。

微型收音器在各个频率下的灵敏度曲线由厂家给出的芯片资料得到，而微型扬声器的灵敏度无法直接得到，我们采用间接推导的方法来求得扬声器的灵敏度。设微型扬声器的灵敏度为S_LS，单位为Pa/V，它在系统联调时得到。测试时传感器的收音器和扬声器探头安置于一个衰减很小的耦合腔中，假设要求产生的声压为P₁，则根据S_LS的设定，用于产生该声压的电压大小为P₁/S_LS。扬声器产生的声信号经过耦合腔用收音器测量声音强度，由于衰减很小，近似认为收音器测得的声音强度与扬声器产生的声音强度相同，声信号经收音器、预放电路和声卡转换后，由软件测得的声压峰峰值可由以下方程表示：

$P_x=2\sqrt{2}{P}_1\frac{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{old}}}{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{real}}}$

其中S_{LS_real}，S_{LS_old}，P_x分别为扬声器实际的灵敏度、扬声器旧的设置的灵敏度和记录测得的声强峰峰值。当设定产生声强为80dB SPL时，即P₁＝200mPa，则可以把上式简化为：

$P_x=\left(565.69\mathrm{mPa}\right)\frac{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{old}}}{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{real}}}$

因此，当观察测得的声信号的强度的有效值不是80dB SPL时，则需要调整S_{LS1_real}，使得：

S_{LS1_real}＝(565.69mPa)S_{LS1_old}/P_x

重复以上步骤，直到测得的P_x有效值为80dB SPL为止。然后校准另一个扬声器。

前置处理电路对输入信号实现放大作用，通过测量通道的幅频特性即可。

应用本检测系统对多名耳蜗功能正常受试者及耳蜗功能异常受试者进行了检测，检测结果与受试者的临床诊断结果基本一致。

本研究开发了基于USB多媒体声卡的便携式耳声发射检测系统，在基于VC++Studio 2005软件平台上，实现了对瞬态诱发耳声发射(TEOAE)和畸变耳声发射(DPOAE)信号的检测，并对系统进行了全面的定标校准和测试，实现了对TEOAE和DPOAE的全功能的定量检测和分析。为提高全功能OAE信号检测的便携性和减少噪声的干扰提供了定量、方便、无损的检测方法，为进一步促进OAE在临床及基础医学的研究提供了方便的手段和方法。

Claims (3)

1.一种便携式耳声发射检测系统，其特征在于，含有便携式PC机、USB声卡、微型扬声器、微型收音器、预处理电路以及电源，其中：

所述微型扬声器，是一个安置在耳道中的由两个发声器构成的话筒，分别产生两种不同的刺激声，用于诱发耳声发射信号：在瞬态耳声发射TEOAE信号检测时，只有一个发声器工作，发出一种频率的刺激声，在畸变产物耳声发射DPOAE信号检测时，两个发声器同时都处于工作状态，发出两种不同频率的刺激声；

所述微型收音器，位于所述耳道内贴近所述微型扬声器位置，用于接收所述耳声发射信号；

所述USB声卡，设有两个刺激声信号输出端speak out，输出经过D/A转换后形成的两路模拟信号至所述微型扬声器中，微型扬声器发出的刺激声传入外耳道；在外耳道中采集到的耳声发射信号、刺激伪迹及各种噪声信号经过所述预处理电路处理后，输入到USB声卡的line in端口，经过A/D转换后输入所述便携式PC机；

所述预处理电路，用于消除人体低频运动噪声、环境中的工频噪声以及高频的电路噪声，并使信号达到要求的强度，共有两路，各由依次串联的一级放大、滤波和二级放大电路构成，其中，一路的放大倍数为2500倍，另一路放大倍数为200倍，两路的滤波通带均为400Hz-10kHz，所述微型收音器的输出端同时与所述预处理电路两路输入端相连，所述放大倍数为200倍一路信号作为参考信号用于去除刺激伪迹；

所述电源电路为DC-DC升压电路，用于将USB接口提供的+5V电压转换成预处理电路芯片所需的±12V电源；

所述便携式PC机，通过USB接口与声卡连接，实现所述两路刺激声的输出和所述耳声发射信号的输入。

2.根据权利要求1所述的一种便携式耳声发射检测系统，其特征在于，所述便携便携式PC机内设有：

对USB声卡的A/D和D/A进行校准的模块，

供所述USB声卡校准用的以下参数：

D/A灵敏度S的初始值：S＝5.4676mV/ct，

A/D的灵敏度S’的初始值：左通道的S₁’＝12271.4ct/V，右通道的S₂’＝10997.4ct/V，

在校准所述USB声卡的D/A灵敏度时其步骤如下：

设定所述USB声卡的D/A灵敏度S的初始值S₀＝5.4676mV/ct，要求程序输出的正弦波的有效值为1V，检测测试声卡输出的电压峰峰值Vr，若Vr不等于2.88V，则将所述USB声卡的D/A灵敏度更正为

重复以上操作，直到输出Vr＝2.88V为止，对另一路声卡的D/A采用同样的校准步骤，即得到两个通道的D/A灵敏度值，

对所述USB声卡的A/D的灵敏度进行校准时其步骤如下：

设定所述USB声卡左通道的A/D的灵敏度S₁’＝12271.4，右通道的A/D的灵敏度S₂’＝10997.4，单位均为ct/V，由信号发生器向声卡Line in端口输入有效值为1V的正弦波，启动程序，获取检测结果，如果程序显示有效值不为1V或峰峰值不为2.88V，记录实际测试有效值为V_r’，调整A/D灵敏度为

对两个通路都重复以上操作，直到程序显示有效值为1V为止。

3.根据权利要求1所述的一种便携式耳声发射检测系统，其特征在于，在所述便携便携式PC机内设有扬声器灵敏度校准模块，对所述微型扬声器通过以下步骤进行校准：

把所述微型收音器和微型扬声器探头内置于一耦合腔中，使得微型收音器测得的声音强度与微型扬声器产生的声音强度相同，

设所述微型扬声器的灵敏度为S_LS，单位为Pa/V，假设要求产生的声压为P₁，则根据S_LS的设定，用于产生该声压的电压大小为P₁/S_LS，微型扬声器实际的灵敏度、设定的微型扬声器的灵敏度和记录测得的声强峰峰值分别为S_{LS_real}，S_{LS_old}，P_x，则三者之间的关系可以由以下方程表示：

$P_x=2\sqrt{2}{P}_1\frac{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{old}}}{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{real}}}$

当设定产生声强为80dB SPL声压级时，即P₁＝200mPa，则上式简化为：

$P_x=\left(565.69\mathrm{mPa}\right)\frac{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{old}}}{S_{\mathrm{LS}1\_\mathrm{real}}}$

当观察测得的声信号的强度的有效值不是80dB SPL声压级时，则需要调整S_{LS1_real}，使得：

S_{LS1_real}＝(565.69mPa)S_{LS1_old}/P_x

重复以上步骤，直到测得的P_x有效值为80dB SPL声压级为止，然后校准另一个扬声器，即可完成校准过程。

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