CN104921734A - 一种新生儿听力筛查仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新生儿听力筛查仪，包括电源模块、DSP处理器模块、音频处理模块、功放电路、探头电路、信号处理电路、存储器模块、串口通信模块、键盘和显示器，所述处理器模块、信号处理电路和功放电路分别与所述音频处理模块连接,所述功放电路和信号处理电路同时分别与所述探头电路连接，电源模块给各模块供电。本发明对瞬态诱发耳声发射和畸变产物耳声发射两种信号的检测功能，完全脱离PC机环境，实现了便携式操作，采用单独的可充电电池供电，键盘操作，以彩色液晶显示器作为终端，实现了良好的人机界面操作，并且实现实时打印功能，仪器结构美观小巧，便于携带。

Description

一种新生儿听力筛查仪

技术领域

本发明及医疗设备仪器领域，特别是一种新生儿听力筛查仪。

背景技术

耳声发射是一种产生于耳蜗，经过听骨链及鼓膜传导释放到外耳道的音频能量。耳声发射的发现揭示了耳蜗不但可以察觉和辨别外界的声音，而且会自发的发出声音。其临床意义在于，它为我们提供了一个检测耳蜗放大功能和外毛细胞功能完整性的方法。但是目前国内研发的耳声发射检测仪功能较少，技术不成熟，而国外的耳声发射检测仪价格较高，不适合广泛使用。

发明内容

本发明针对耳声发射检测仪功能较少，技术不成熟等不足，提供一种功能较全面性价比较高的便携式的新生儿听力筛查仪。

本发明的技术方案为：

一种新生儿听力筛查仪，包括电源模块、DSP处理器模块、音频处理模块、功放电路、探头电路和信号处理电路，所述处理器模块、信号处理电路和功放电路分别与所述音频处理模块连接,所述功放电路和信号处理电路同时分别与所述探头电路连接，电源模块给各模块供电，由所述DSP处理器模块产生刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头电路；探头电路也可受到刺激声信号的激励，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块，DSP处理器采集所述耳声发射信号，进行算法处理。

作为优选的，所述探头电路包括扬声器和麦克风。

更进一步地，所述信号处理电路包括低噪声的仪表放大器AD8542，实现对麦克风接收的耳声发射信号进行放大处理，放大倍数约为50，并且具有带通滤波器功能。

作为优选的，还包括存储器模块。

更进一步地，所述存储器模块包括FLASH存储器和SDRAM存储器，所述FALSH存储器用于存储代码、常量数据，所述SDRAM存储器用于处理实时数据。

更进一步地，还包括串口通信模块，所述DSP处理器模块通过所述串口通信与外部打印设备进行数据交互，实现数据打印。

更进一步地，还包括键盘和显示器。

更进一步地，所述电源模块包括充电电池，提供系统5v、3.3v供电。

本发明除了提供一种新生儿听力筛查仪，还提供利用该新生儿听力筛查仪进行听力筛查的方法，包括以下步骤：

1)启动仪器，设定参数；

2)由所述DSP处理器模块经过特定算法产生刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头电路；

3)所述探头电路采样信号，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块；

4)所述DSP处理器模块采集所述耳声发射信号，进行算法处理。

作为本发明更进一步的说明，所述特定算法包括瞬态诱发耳声发射(TEOAE)和畸变产物耳声发射(DPOAE)两种模式，所述TEOAE模式是以短暂声刺激诱发的耳声发射。以短暂声刺激诱发的耳声发射，在给人耳施加了一定的诱发刺激声不久，在外耳道采集到的除刺激声和发射声以外的声音信号，一般在诱发刺激声3-5ms后出现，大概持续15秒。TEOAE和诱发刺激声的频率都分布在0.4-6k之间。

所述DPOAE是以两个具有一定的频率比和一定强度比的初始纯音f1、f2刺激诱发的耳声发射。耳蜗受到两个频率为f1、f2，且具有一定的频率比和一定强度比的初始纯音刺激时，由耳蜗的主动机制而产生的各种形式的畸变在外耳道中记录到的耳声发射信号。DPOAE在2f1-f2处最为突出的，而且出现的次数也是最多的，DPOAE的幅度相对诱发刺激声老说要小的多，约为60db SPL。

针对TEOAE和DPOAE)两种模式，所述探头电路采样和所述DSP处理器模块算法处理也有所不同。

(1)耳声发射诱发刺激声的发生

瞬态诱发耳声发射诱发刺激声：采用持续时间80us的短声TEOAE诱发刺激声，且为正弦信号，

U(t)＝Asin(2πft),0<t<80us

其中，A为诱发刺激声的最大强度，80dBSPL，f为频率，本系统采用持续时间为80us的半周正弦波作为激励信号，f的值为6250Hz。

畸变产物耳声发射诱发刺激声：采用两个持续时间为100ms的短纯音作为DPOAE诱发刺激声，也都是正弦信号，其形式如下：

U1(t)＝A1sin(2πf1t),0<t<100ms

U2(t)＝A2sin(2πf2t)

A1、A2为两个诱发刺激声的刺激强度，值为70dBSPL，且A1＝A2，f1、f2为诱发刺激声的频率，且f1:f2＝1.22,f1取值为0.5kHz、1kHz、2kHz、4kHz。

(2)耳声发射信号的滤波

首先电路要有一个合理的放大倍数，使耳声发射信号在一个合理的电压范围内，满足不失真的条件。在信号采样之前要进行滤波处理。耳声发射信号的频率主要分布在0.4-6kHz范围内，大多数集中在1-4kHz范围内，为消除噪声，应选择合适的滤波器及其滤波范围。应选取带通滤波器，滤波范围上限4.5-5.5kHz，下限在0.4-0.6范围内，首先在硬件上应有一个带通滤波器，根据滤波效果，在软件算法上在采取相应的滤波器算法。

(3)耳声发射信号的采样频率

瞬态诱发耳声发射的采样频率：检测TEOAE信号时，将采样频率设定为50kHz左右，在每次诱发刺激声结束之后，采集1024点，大概占用时间为20ms。

畸变产物耳声发射的采样频率：检测DPOAE信号时，必须用频谱分析，即傅里叶变换对采集到的信号加以处理，而且频谱图上必须有两个诱发刺激声f1、f2和由刺激声产生的2f1-f2这三个频率，检测时可以利用整周期采样的方法避免DPOAE信号被诱发刺激声给淹没掉。整周期采样是指采样周期与信号周期，即采样频率与信号频率之间是整数倍的关系，有下列公式：

T/T0＝NTs/T0＝Nf0/fs＝整数

其中，T为采样时间，T0为信号周期，N为采样点数，Ts为采样周期，f0为信号频率，fs为采样频率。

设定DPOAE诱发刺激声频率f1最大频率为4kHz,而f2是f1的1.22倍，所以f2是4.88kHz，将采样率设定为39.04kHz左右，采集1024个点，大约需要26ms左右。

(4)耳声发射信号的处理

相干平均法：就是将多次采集的数据累加后在平均，也叫累加平均，用来提取耳声发射信号。在施加诱发刺激声之后，由探头检测到的诱发响应信号X(i)可表示为：

X(i)＝S(i)+N(i),i＝1,2,....N；

N是总刺激次数，S(i)是耳声发射信号，N(i)是噪声信号。为了尽可能消除噪声信号，应将N个X(i)进行相干平均得到真正的耳声发射信号，而且N越大，结果越准确。在TEOAE中，N取1024次，在DPOAE中，N取32次。

设拒绝阀值噪声是随机信号，是不好预测的，周围环境无意引起的瞬间大噪声会在很大程度上影响到测试数据，使得信号中的噪声成分大大的增加，这个时候应将采集到的这些数据舍弃掉，不让他们参加累加计算。应提前设置好一个拒绝阀值，将每次刺激所采集到的数据都跟拒绝阀值作比较，在决定是否让这些数据参加累加计算，这个拒绝阀值要根据实际的环境，做大量的实验来确定。

时域加窗法耳声发射信号中噪声含量减少后，还要减少甚至消除刺激伪迹的含量，就是外耳道及中耳对诱发刺激声的直接反射，可以采用时域加窗法进行滤波处理。瞬态诱发耳声发射每次诱发刺激声后采集20ms，共有1024点，在0-2.5ms内，对应于前128个点，他们基本上都是刺激伪迹，所以可以将这些点得值设为0,；在2.5-5ms内，对应于129-256个点，他们由瞬态诱发耳声发射信号和刺激伪迹组成，把这段数据的值加上升余弦窗口滤波，以减少信号中刺激伪迹的含量；在5-20ms内，剩下的点，大部分是瞬态诱发耳声发射信号，保留这些数据，不进行处理。升余弦窗如下所示：

$W\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& (0\&le;t\&le;2.5ms)\\ 0.5cos\left(400\mathrm{\&pi;}t\right)& (2.5ms\&le;t\&le;5ms)\\ 1& (5ms\&le;t\&le;20ms)\end{array}\right.$

(5)耳声发射信号的识别

瞬态诱发耳声发射信号的识别TEOAE信号的时域波形因人而异，且没有标准的形式，主要是观察时域波形是否是高频成分在前，低频成分在后的。互相关系数识别法是计算按刺激次数的奇偶累加完并进行相干平均后的两个数组的互相关系数，然后通过判断互相关系数的大小来判定是否有TEOAE信号。他们的互相关系数表示为：

${\mathrm{\&rho;}}_{xy}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x\left(n\right)y\left(n\right)}{\sqrt{\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{x}^2\left(n\right)\underset{n=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{y}^2\left(n\right)}}$

其中N是每一次刺激的采样点数，如果相关系数超过50％，那么就认为这两个数组中包含的TEOAE信号比较多，反之则认为包含的随机噪声比较多。该方法只能计算两个数组之间总的相关率，但不能计算各个频段之间的相关系数，因此要计算各个频段之间的相关系数采用频域相干谱法。

频域相干谱法是基于a(n)和b(n)的互相关函数谱的分析方法，若a(n)和b(n)的傅里叶变换分别为

F_A(k)＝R_A(k)+jI_A(k)

F_B(k)＝R_B(k)+jI_B(k)

式中k的取值范围为0至(N-1)，R_A(k)、R_B(k)为傅里叶变换的实部，I_A(k)、I_B(k)为傅里叶变换的虚部。根据相关定理，其自相关函数谱R_AA、R_BB和互相关函数谱R_AB分别如下所示，为书写方便，略去k，而认定R_AA、R_BB、R_AB等均为k的函数。

$R_{aa}=F_A^{*}{F}_A=R_A^2+I_A^2$

$R_{bb}=F_B^{*}{F}_B=R_B^2+I_B^2$

$R_{ab}=F_A^{*}{F}_B=(R_A{R}_B+I_A{I}_B)+j(R_A{I}_B-I_A{R}_B)$

令R_RAB代表R_AB的实部，I_RAB代表R_AB的虚部，则R_AB＝R_RAB+jI_RAB。RRAB是偶函数，称为相关同谱分量，I_RAB是奇函数，称为相关异谱分量，相关同谱分量表示两个信号的相关性，即两信号a(n)和b(n)波形的相似性，RRAB的值越大，表示两个时域波形越相似。定义同谱相干函数为L_R，同谱相干系数为L_r，L_R和L_r均可以量度频域相干性。

$L_R\left(n\right)=\frac{R_{RAB}\left(n\right)}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{aa}\left(k\right)\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{R}_{bb}\left(k\right)}}$

$L_r=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}{L}_R\left(k\right)$

该公式从频域整体上度量时域波形相似性，也可以通过修改公式中求和的上下限来实现频域局部上对波形相似性的度量，如计算频段[f₁,f₂]的相关率，只需要知道其对应的采样点数范围[N₁＝Nf₁/f_s,N₂＝Nf₂/f_s],代入公式即可。

畸变产物耳声发射信号的识别DPOAE信号的识别主要是观察DPGRAM图，即两个诱发刺激声的频率f1、f2与采集到的信号中频率为2f1-f2的耳声发射信号的幅值之间的关系图，把f1、f2当做横坐标，把I(f)作为纵坐标，画成的折线图就是DPGRAM图，I(f)的计算方法如下：

$I\left(f\right)=20\lg \&lsqb;\frac{A_{OAE}\left(f\right)}{2\&times;{10}^{-4}}\&CenterDot;\frac{2}{N}\&rsqb;$

式中I(f)的单位是dB SPL,A_OAE(f)是对采集到的数据相干平均后做频谱分析，即傅里叶变换得到的。N是采样点数。采集到的DPOAE信号的频率f与采样点数N的对应关系为：

f＝fs.k/N

式中fs为采样频率，k为频率f的对应点，且k＝0-N。所以要找出频率为2f1-f2的DPOAE信号在N个点内的对应点时直接应用上述公式即可。

(6)快速傅里叶变换

序列x(n)离散傅里叶变换为

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}x\left(n\right)W_N^{nk},k=0,1,...,N-1$

将序列x(n)按序号n的奇偶分成两组，即

$\left.\begin{array}{c}{x}_1\left(n\right)=x\left(2n\right)\\ x_2\left(n\right)=x(2n+1)\end{array}\right\}n=0,1,...,\frac{N}{2}-1$

因此，x(n)的傅里叶变换可写成为

由此可得

$X\left(k\right)=X_1\left(k\right)+W_N^k{X}_2\left(k\right),k=0,1,...,\frac{N}{2}-1$

式中

$X_1\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left(2n\right)W_{N/2}^{nk},$

$X_2\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N/2-1}{\&Sigma;}}x(2n+1)W_{N/2}^{nk}$

他们分别是x₁(n)、x₂(n)的N/2点DFT，上面推导表明：一个N点DFT被分解为两个N/2点DFT，每个N/2点DFT又可以分解为两个N/4点的DFT，以此类推，当N为2的整数幂时，由于每分解一次降低一阶幂次，所以通过M次分解，最后全部称为一系列2点DFT运算，以上就是按时间抽取的快速傅里叶(FFT)算法。

序列X(k)的离散傅里叶反变换为

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}X\left(k\right)W_N^{-nk},n=0,1,...,N-1$

它与离散傅里叶正变换的区别在于W_N改变为W_N ^-1，并且多了一个除以N的运算，因为W_N和W_N ^-1对于按时间抽取的快速傅里叶变换算法并无实质性的区别，因此可将FFT和快速傅里叶反变换(IFFT)算法合并在同一个程序中。

本发明的优点：

本发明新生儿听力筛查仪具有无创、快速、客观等优点，在听觉疾病诊断和新生儿听力筛查中发挥着重要作用。本仪器可广泛应用于各级医疗机构的耳科、儿科和产科中(非家用医疗仪器)，具有较高的临床应用价值。本发明完成了对瞬态诱发耳声发射和畸变产物耳声发射两种信号的检测功能，完全脱离PC机环境，实现了便携式操作，采用单独的可充电电池供电，键盘操作，以彩色液晶显示器作为终端，实现了良好的人机界面操作，并且实现实时打印功能，仪器结构美观小巧，便于携带。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图；

图2为本发明的主控芯片电路图；

图3为本发明的信号处理电路图；

图4为本发明的FLASH存储器电路图；

图5为本发明的SDRAM存储器电路图；

图6为本发明的瞬态诱发耳声发射检测流程图；

图7为本发明的畸变产物耳声发射检测流程图。

具体实施方式

实施例：

一种新生儿听力筛查仪，包括电源模块、DSP处理器模块、音频处理模块、功放电路、探头电路、信号处理电路、存储器模块、串口通信模块、键盘和显示器，所述处理器模块、信号处理电路和功放电路分别与所述音频处理模块连接,所述功放电路和信号处理电路同时分别与所述探头电路连接，电源模块给各模块供电，由所述DSP处理器模块产生刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头电路；探头电路也可受到刺激声信号的激励，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块，DSP处理器采集所述耳声发射信号，进行算法处理；所述探头电路包括扬声器和麦克风；所述信号处理电路包括低噪声的仪表放大器AD8542；所述存储器模块包括FLASH存储器和SDRAM存储器，所述FALSH存储器用于存储代码、常量数据，所述SDRAM存储器用于处理实时数据；所述DSP处理器模块通过所述串口通信与外部打印设备进行数据交互，实现数据打印；所述DSP处理器模块的主芯片是ADSP BF533，音频处理器电路采用的芯片是AD1938，音频功放电路采用的芯片是LM4880，串口通信模块采用通用的串口转换芯片MAX3232，FLASH芯片采用S29GL064N，SDRAM芯片采用MT48LC16M16A2。

本仪器使用时，启动仪器，参数初始化，调整好检测探头并通过键盘显示器设置好工作参数后开始工作，在TEOAE模式下，DSP处理器产生单路刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头扬声器，经过一定时间后探头麦克风受到刺激声信号的激励，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块，DSP处理器采集所述耳声发射信号，进行TEOAE的模式下算法处理，处理结果通过打印设备打印；在DPOAE模式下，DSP处理器产生双路刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头扬声器，经过一定时间后探头麦克风受到刺激声信号的激励，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块，DSP处理器采集所述耳声发射信号，进行DPOAE模式下的算法处理，处理结果通过打印设备打印。

Claims (10)

1.一种新生儿听力筛查仪，其特征在于:包括电源模块、DSP处理器模块、音频处理模块、功放电路、探头电路和信号处理电路，所述处理器模块、信号处理电路和功放电路分别与所述音频处理模块连接,所述功放电路和信号处理电路同时分别与所述探头电路连接，电源模块给各模块供电，由所述DSP处理器模块产生刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头电路；探头电路也可受到刺激声信号的激励，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块，DSP处理器采集所述耳声发射信号，进行算法处理。

2.根据权利要求1所述的新生儿听力筛查仪，其特征在于：所述探头电路包括扬声器和麦克风。

3.根据权利要求1或2所述的新生儿听力筛查仪，其特征在于：所述信号处理电路包括低噪声的仪表放大器AD8542。

4.根据权利要求3所述的新生儿听力筛查仪，其特征在于：还包括存储器模块。

5.根据权利要求4所述的新生儿听力筛查仪，其特征在于：所述存储器模块包括FLASH存储器和SDRAM存储器，所述FALSH存储器用于存储代码、常量数据，所述SDRAM存储器用于处理实时数据。

6.根据权利要求1所述的新生儿听力筛查仪，其特征在于：还包括串口通信模块，所述DSP处理器模块通过所述串口通信与外部打印设备进行数据交互，实现数据打印。

7.根据权利要求1所述的新生儿听力筛查仪，其特征在于：还包括键盘和显示器。

8.一种利用如权利要求1所述新生儿听力筛查仪进行听力筛查的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)启动仪器，设定参数；

2)由所述DSP处理器模块经过特定算法产生刺激声信号，经过音频处理模块产生模拟信号，经过功放电路，驱动探头电路；

3)所述探头电路采样信号，产生耳声发射信号，经过信号处理电路，发送到音频处理模块；

4)所述DSP处理器模块采集所述耳声发射信号，进行算法处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述特定算法包括瞬态诱发耳声发射(TEOAE)和畸变产物耳声发射(DPOAE)两种模式，所述TEOAE模式是以短暂声刺激诱发的耳声发射；

所述DPOAE是以两个具有一定的频率比和一定强度比的初始纯音f1、f2刺激诱发的耳声发射。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：根据所述特定算法的不同,所述探头电路采样周期和所述DSP处理器模块进行算法处理也不同,所述算法处理包括同步累积、相干平均、时域加窗和快速傅里叶变换等方法。