CN107510451B - 一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于包括以下内容：1)采集记录待测被试的频率跟随响应，对频率跟随响应信号进行数据预处理；2)对经过预处理的频率跟随响应信号进行特征参数提取，得到客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，s越大，被试的音高感知能力越好。本发明实现了基于神经电生理信号的音高感知能力客观评估，过程中无需被测试者的主观参与，扩大了该方法的适用范围。本发明可以广泛应用于音高感知能力的评估中。

Description

一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法

技术领域

本发明是关于一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，涉及听觉感知技术领域。

背景技术

频率跟随响应(frequency-following response,FFR)是大脑受到重复播放的周期性声音的刺激，在经历很短的潜伏期之后，产生的一种跟随声音音高的神经电信号。这种神经电信号的时域波形呈现和刺激声音高一致的周期性。对于音高随时间变化的刺激声，频率跟随响应能够忠实地动态跟随其音高的变化。这种对刺激声音高的跟随,反映了听觉脑干的神经元群跟随刺激声音高的、周期性的锁相活动，是通过频率跟随响应来客观评估人的音高感知能力的生理基础。频率跟随响应的采集记录无创简便，仅仅需三个电极构成一个导联即可在人的头皮记录到该信号，重复刺激1000～2000次叠加就能获得信噪比较好的信号，仅需10～20分钟，使得基于该神经电生理信号的音高感知能力客观评估方法具有临床可操作性。

客观评估音高感知能力对于听力损失人群(如电子耳蜗佩戴者)而言是必要的。现有技术多采用主观方法评估音高感知能力，例如现有技术中公开的一种电刺激听觉音调感知测试与评估系统，其具体公开了一种电刺激听觉音调感知测试与评估系统用于电子耳蜗佩戴者的音高感知能力评估，其使用的评估方法本质上是需要被测试者给出反应的心理物理测试。这种依赖于被测试者给出反应的主观评估方法存在以下问题：(1)不适用于没有能力给出反应的被测试者，如低龄婴幼儿电子耳蜗佩戴者；(2)被测试者给出反应的过程可能受到非听觉因素的影响，即被测试者给出的反应可能无法表现其真实的听觉感受。

客观评估音高感知能力的基础在于测量频率跟随响应这个电生理信号中与人类音高感知机制有关的成分。频率跟随响应能够反映不同听力经验群体之间由于听力经历不同而引起的音调感知能力差异，并且具有足够的敏锐度来反映听力训练形成的脑干对声音信息处理的变化。由此可见，频率跟随响应中含有与音高感知相关的成分，其能够表征同一听力群体中音高感知能力的个体间差异。因此，从采集的原始频率跟随响应信号中将这种与音高感知相关的成分解析出来并评估测定，可作为评估音高感知能力的客观方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，能够基于频率跟随响应评估音高感知能力且无需被测试者给出反应。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于包括以下内容：

1)采集记录待测被试的频率跟随响应，对频率跟随响应信号进行数据预处理；

2)对经过预处理的频率跟随响应信号进行特征参数提取，得到客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，具体过程为：

2.1)由历史上所有被试的频率跟随响应信号构成训练数据集；

2.2)采用主成分分析方法计算去均值训练样本的总体散布矩阵的归一化特征向量，解析出频率跟随响应中能够表征个体音高感知能力的主成分；

2.3)计算客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，s越大，被试的音高感知能力越好。

进一步地，所述步骤1)中待测被试的频率跟随响应为按照预设的声音刺激方案进行刺激声音播放，刺激声音播放通过耳机或扬声器传达给待测被试，诱发该待测被试的频率跟随响应。

进一步地，所述步骤1)中对频率跟随响应信号进行数据预处理采用诱发电位处理方法相干平均法。

进一步地，采用诱发电位处理方法对频率跟随响应信号进行数据预处理的具体过程为：

a)对频率跟随响应信号进行100～1000Hz的带通滤波；

b)取刺激声音播放的起始时刻前某个时间段，至刺激声音播放结束之后某个时间段，将原始频率跟随响应信号分成与刺激声音播放重复次数等量的频率跟随响应信号片段；

c)将其中含有超过听觉诱发电位合理强度的频率跟随响应信号片段即包含过多噪声予以剔除，以便得到信噪比较高的频率跟随响应信号；

d)在每一时刻取所有频率跟随响应信号片段在该时刻的电位算术平均值，得到预处理之后的频率跟随响应信号FFR(t)。

进一步地，其特征在于，所述步骤2.3)计算客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s的具体过程为：

①待测被试的频率跟随响应FFR(t)减去训练数据集中所有频率跟随响应的总平均

②计算客观评估音高感知能力的特征参数s：

式中，FFR(t_i)为待测被试的频率跟随响应在第i时刻的数值，为训练数据集中所有频率跟随响应的总平均在第i时刻的数值，PC(t_i)为主成分分析解析出的频率跟随响应中能表征个体音高感知能力的主成分在第i时刻的数值。

进一步地，声音刺激方案采用如下表所示方案中的一种：

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于待测被试的频率跟随响应信号获得客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，s越大，待测被试的音高感知能力越好，s反映了待测被试的频率跟随响应信号中能够表征个体音高感知能力的成分的含量相对于人群均值的距离，因此本发明能够对待测被试的音高感知能力进行客观评估，且评估过程中无需被测试者的主观参与，扩大了适用范围。2、本发明由历史上所有被试的频率跟随响应信号构成训练数据集基于机器学习的理念，采用主成分分析方法将频率跟随响应中能够表征个体音高感知能力的有效成分解析出来，提高了基于频率跟随响应信号的音高感知能力客观评估的准确性。3、本发明基于脑干听觉诱发电位，测试时间仅需10～20分钟，具有临床可操作性。本发明可以广泛应用于待测被试的音高感知能力的客观评估中。

附图说明

图1是本发明的基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法原理图；

图2是本发明的客观评估音高感知能力的特征参数的提取流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，通过从频率跟随响应中提取能够表征个体音高感知能力的特征参数，实现对待测被试音高感知能力的客观评估，包括以下内容：

1、按照预设的声音刺激方案进行刺激声音播放，刺激声音播放通过耳机或扬声器传达给待测被试，诱发待测被试的频率跟随响应。

2、采集记录待测被试的频率跟随响应，此过程可以采用常规方法进行采集记录，本发明实施例采集记录待测被试的频率跟随响应的具体过程为：

在待测被试的头皮上放置脑电电极，脑电电极包括记录电极、参考电极和地电极，其中，记录电极放置于待测被试的正中发际线，参考电极放置于待测被试接收刺激声音一侧的乳突，地电极放置于待测被试眉心，三个电极构成一个导联，通过采集系统采集记录待测被试的频率跟随响应，采集系统采集时频率跟随响应信号采样率可以取20kHz，以此为例，不限于此,可以根据实际需要进行设定。

3、由于单个刺激声音诱发的频率跟随响应容易淹没在脑电信号的噪声中，因此需要对其进行预处理提高频率跟随响应信号的信噪比。本发明对频率跟随响应信号进行数据预处理可以采用诱发电位处理方法相干平均法，具体过程为：

1)对频率跟随响应信号进行100～1000Hz的带通滤波；

2)取刺激声音播放的起始时刻前50ms(以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行设置)，至刺激声音播放结束之后50ms(以此为例，不限于此，可以根据实际需要进行设置)，将原始频率跟随响应信号分成与刺激声音播放重复次数等量的频率跟随响应信号片段；

3)将其中含有超过听觉诱发电位合理强度(此数值可以根据具体实验进行确定，本实施例设置为例如20μV)的频率跟随响应信号片段(包含过多噪声)予以剔除，以便得到信噪比较高的频率跟随响应信号；

4)在每一时刻取所有频率跟随响应信号片段在该时刻的电位算术平均值，得到预处理之后的频率跟随响应信号FFR(t)。

4、如图2所示，对于经过预处理的频率跟随响应信号FFR(t)进行特征参数提取，得到客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，具体过程为：

1)由历史上所有被试的频率跟随响应信号构成训练数据集；

2)采用主成分分析方法将频率跟随响应分解为若干主成分，主成分指的是去均值训练样本的总体散布矩阵的归一化特征向量。采用主成分分析方法计算去均值训练样本的总体散布矩阵的归一化特征向量，所有特征向量中前两个特征向量一般可解释大部分数据方差，其中有一个特征向量在相位上领先于训练数据集中所有频率跟随响应的总平均，确认该特征向量为频率跟随响应中能够表征个体音高感知能力的主成分PC(t)。就此，频率跟随响应中能够表征个体音高感知能力的主成分PC(t)被解析出，并用于指导待测被试的频率跟随响应的特征参数提取。

3)计算客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，具体过程为：

3.1)待测被试的频率跟随响应FFR(t)减去训练数据集中所有频率跟随响应的总平均

3.2)计算客观评估音高感知能力的特征参数s：

式中，FFR(t_i)为待测被试的频率跟随响应在第i时刻的数值，

为训练数据集中所有频率跟随响应的总平均在第i时刻的数值，PC(t_i)为主成分分析解析出的频率跟随响应中能表征个体音高感知能力的主成分在第i时刻的数值。s反映了待测被试的频率跟随响应信号中能够表征个体音高感知能力的成分的含量相对于人群均值的距离，s越大，被试的音高感知能力越好。研究表明，在健康年轻、听力正常的人群中，该客观评估音高感知能力的特征参数与音高分辨的行为表现显著相关，充分说明本发明的音高感知能力客观评估方法的有效性。

在一个优选的实施例中，本发明的声音刺激方案可以采用如表1所示，表1中列举的五种刺激方案均为有效方案，实施过程中可以任选一种。

表1声音刺激方案参数选择

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的各个步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于包括以下内容：

1)采集记录待测被试的频率跟随响应，对频率跟随响应信号进行数据预处理；

2)对经过预处理的频率跟随响应信号进行特征参数提取，得到客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，具体过程为：

2.1)由历史上所有被试的频率跟随响应信号构成训练数据集；

2.2)采用主成分分析方法计算去均值训练样本的总体散布矩阵的归一化特征向量，解析出频率跟随响应中能够表征个体音高感知能力的主成分；

2.3)计算客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s，s越大，被试的音高感知能力越好。

2.如权利要求1所述的一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于，所述步骤1)中待测被试的频率跟随响应为按照预设的声音刺激方案进行刺激声音播放，刺激声音播放通过耳机或扬声器传达给待测被试，诱发该待测被试的频率跟随响应。

3.如权利要求1所述的一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于，所述步骤1)中对频率跟随响应信号进行数据预处理采用诱发电位处理方法相干平均法。

4.如权利要求3所述的一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于，采用诱发电位处理方法对频率跟随响应信号进行数据预处理的具体过程为：

a)对频率跟随响应信号进行100～1000Hz的带通滤波；

b)取刺激声音播放的起始时刻前某个时间段，至刺激声音播放结束之后某个时间段，将原始频率跟随响应信号分成与刺激声音播放重复次数等量的频率跟随响应信号片段；

c)将其中含有超过听觉诱发电位合理强度的频率跟随响应信号片段即包含过多噪声予以剔除，以便得到信噪比较高的频率跟随响应信号；

d)在每一时刻取所有频率跟随响应信号片段在该时刻的电位算术平均值，得到预处理之后的频率跟随响应信号FFR(t)。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于，所述步骤2.3)计算客观评估待测被试音高感知能力的特征参数s的具体过程为：

①待测被试的频率跟随响应FFR(t)减去训练数据集中所有频率跟随响应的总平均

②计算客观评估音高感知能力的特征参数s：

式中，FFR(t_i)为待测被试的频率跟随响应在第i时刻的数值，

为训练数据集中所有频率跟随响应的总平均在第i时刻的数值，PC(t_i)为主成分分析解析出的频率跟随响应中能表征个体音高感知能力的主成分在第i时刻的数值。

6.如权利要求2所述的一种基于脑干听觉诱发电位的音高感知能力客观评估方法，其特征在于，声音刺激方案采用如下表所示方案中的一种：

Images